II. 2. Ciclul Krebs. Glicoliza

Glicoliza:

- Glicoliza (definiie; loc de aciune; formarea acidului lactic); - Formarea monozaharidelor fosforilate; - Decondensarea aldolic; - Formarea acidului D-fosfogliceric; - Formarea acidului piruvic; - Bilanul energetic; - Schema de reacii.

Glicoliza reprezint degradarea anaerob a hidrailor de carbon n muchi i n alte esuturi. Glicoliza se

deosebete de fermentaia alcoolic, n primul rnd prin faptul c muchiul i celelalte esuturi animale nu

pot utiliza direct glucoz (sau alte monozaharide) n metabolismul lor, ci numai glicogen.

CH2OH

OH

O

H

HO

H

H

OH

OHH2PO3

Glicogen

1-Fosfat de glucoza

CH2OH

OH

O

H

OH

H

OH

CH2OH

OH

O

H

HO

H

H

OH

O

CH2O

OH

O

H

HO

H

H

OH

OHPO3H2

PO3H2

~

(Esterul lui Cori)

6-Fosfat de glucoza~

(Esterul lui Robison)

Glicoliza care are loc la nivelul muchiului ncepe prin detaarea unui rest de glucoz de la o

margine a macromoleculei de glicogen sub aciunea fosforilazei din muchi i a fosfatului anorganic.

Restul de glucoz este astfel transformat n 1-fosfat de glucoz (esterul lui Cori).

Sub aciunea enzimei fosfo-glucomutaz, 1-fosfatul este izomerizat n 6-fosfat de glucoz, care

sufer n continuare transformri pn se ajunge la acidul piruvic. De aici, reacia decurge diferit n

esuturile animale fa de cele vegetale, deoarece primele nu conin carboxilaz.

2 CH3COCOOHC6H12O6 Deoarece nu se formeaz acetaldehid, rolul de acceptor pentru hidrogenul de la NADH+H+ l

poate prelua acidul piruvic, care este transformat n acid L(+)-lactic:

CH3COCOOH + NADH + H+ + NAD+

dehidrogenaza

lactica

CH3CH(OH)COOH~

n glicoliz, o molecul de glucoz este degradat printr-o serie de reacii enzimatice ce conduc la

dou molecule de piruvat. n timpul reaciilor secveniale ale glicolizei, o parte din energia eliberat prin

oxidarea glucozei este convertit n ATP i NADPH. Reaciile cii glicolitice n extracte de drojdie i n

muchi au fost n centrul cercetrilor biochimice de la descoperirea fermentaiei n 1897 de ctre Eduard

Buchner, pn la elucidarea ntregii ci la drojdii (Otto Warburg i Hans von Euler-Cheplin) i n muchi

(Gustav Embden i Otto Meyerhof) n anii 1930.

Bilanul ntregului proces este urmtorul: dintr-un rest de glucoz, desprins de la marginea

macromoleculei de glicogen, se formeaz dou molecule de acid lactic:

2

Nicotinamiddinucleotida oxidat (NAD+) este succesiv redus i apoi oxidat, la fel ca n

fermentaie.

Se sintetizeaz n total patru moli de ATP, ca n fermentaie, dar se consum numai unul, deoarece

formarea 1-fosfatului de glucoz, pornind de la glicogenul bogat n energie, utilizeaz acid fosforic

anorganic. Trecerea glucozei n acid lactic aduce celulei trei molecule de ATP pentru fiecare molecul de

glucoz consumat. n aceste molecule rmne nmagazinat o energie de 34,5 kcal, care servete

organismului pentru funciile sale vitale, ntre altele pentru producere de lucru mecanic.

4. Acidul lactic, format n muchii mamiferelor, este transportat pe calea sngelui n ficat, unde este retransformat n glicogen, prin parcurgerea tuturor reaciilor glicolizei n sens invers i, desigur, cu un consum corespunztor de ATP (Cori). Scindarea glicolitic a glucozei este singura surs de energie metabolic pentru unele esuturi de mamifere i pentru anumite tipuri de celule (de exemplu eritrocitele, mduva renal, creierul i sperm). Multe dintre organismele anaerobe sunt total dependente de glicoliz. ntreg procesul glicolitic se comport ca un tot unitar funcional, necesitnd participarea a dou coenzime nucleotidice (NAD+ - nicotinamid dinucleotid i NADP+ - nicotinamid dinucleotid fosfat) i a unui donator de energie i radical fosfat (ATP - adenozintrifosfat).

N

C NH2

O

CH2

O

OH OH

H H

H HO

CH2

OH OH

N

N

N

NH2

OP

H H

H H

OH

O

O

P

OH

O

O+

NAD+

N

C NH2

O

CH2

O

OH OH

H H

H HO

CH2

OH O

N

N

N

NH2

OP

H H

H H

OH

O

O

P

OH

O

O

P

OH

OH O

+

NADP+

O

CH2

OH OH

N

N

N

NH2

OP

H H

H H

OH

O

O

P

OH

OPOH

OH

O O

ATP

n prima etap a glicolizei se formeaz glucozo-6-fosfat care izomerizeaz la glucozo-6-fosfat. A doua etap o reprezint izomerizarea glucozo-6-P la fructozo-6-P (esterul Neuberg sau Newman). Aceast reacie are loc n prezena enzimei fosfohexozizomerazei (PGI) i este reversibil, la echilibru raportul aldozofosfat:cetozofosfat fiind de 7:3, ceea ce asigur mersul nainte al reaciei.

Reacia a treia, de formare a fructozo-1,6-difosfatului (esterul Harden-Young sau Ivanov), are loc n prezena enzimei fosfofructokinaz, enzima cea mai puin activ din calea glicolitic, limitnd mersul reaciei, ATP dependent, care necesit ioni de Mg2+ ca activator enzimatic.

CH

CHOH

OH

CH

C HHO

CH2OPO3H2

OH

CH

O

CHO

CH2OH

CH

C HHO

OH

CH

O

CH2OPO3H2

CHO

CH

C HHO

OH

CH

O

CH2OPO3H2

CH2OPO3H2

CH

CHOH

OH

CH

C HHO

CH2OPO3H2

OH

CH

O

CHO

CH2OH

CH

C HHO

OH

CH

OATP

Glucozo-6-fosfat

CH2OPO3H2

CHO

CH

C HHO

OH

CH

O

CH2OPO3H2

CH2OPO3H2

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

3

Decondensarea aldolic. Etapa a patra este catalizat de aldolaz i conduce la doi izomeri fosforilai: 3-fosfogliceraldehida (GA-3-P) i dihidroxiacetonfosfatul (DHAP). Reacia este reversibil, echilibrul fiind deplasat ctre formarea fructozo-1,6-difosfatului. 1,6-Difosfatul de fructofuranoz sufer, sub aciunea enzimei aldolaz, o rupere a moleculei prin care se formeaz esterii fosforici ai celor dou trioze: fosfatul D-glicerinaldehidei i fosfatul dihidroxiacetonei.

Reacia nu este favorabil termodinamic avnd Go'= + 5,7 kcal/mol, dar este deplasat n

direcia formrii triozelor datorit att naturii exergonice a formrii fructozo-1,6-difosfatului, ct i

oxidrii ulterioare a fosfatului de glicerinaldehid (glicerinaldehid-3-fosfat) ntr-o reacie cu o energie

liber negativ.

n continuare, particip la formarea alcoolului numai fosfatul glicerinaldehidei. Fosfatul

dihidroxiacetonei este ns izomerizat la fosfatul glicerinaldehidei, sub aciunea izomerazei fosfailor de

trioze.

n a cincea etap reprezint interconversia celor doi triozofosfai catalizat de triozofosfatizomeraza. GA-3-P, forma reactiv, este n echilibru cu DHAP, iar raportul lor este de 0,35:9,65. Datorit GA-3-P echilibrul este rupt. DHAP poate fi utilizat n glicoliz sau poate fi integrat n anabolismul lipidelor servind la biosinteza glicerofosfatului.

Oxidarea GA-3-P la acid 1,3-fosfogliceric are loc n etapa a asea. Aceasta este singura reacie oxidativ din glicoliz i se numete reacie de oxidoreducere glicolitic. Reacia catalizat de enzima gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza (E-SH), care posed n centrul su activ o grupare sulfhidril i utilizeaz NAD+ drept coenzim. Energia eliberat n urma oxidrii substratului este acumulat n molecula fosfatului care este un produs macroergic.

OH CH2OH

C = O

CH

C HHO

OH

CH

CH2OPO3H2

CH2OPO3H2

OH

Fosfatul D-glicerin-aldehidei

C O

CHO

CH

CH2OPO3H2

CH2OPO3H2

Fosfatul dihidro-xiacetonei

+

OH

CHO

CH

CH2OPO

3H

2

+ NAD+

+ H3PO4

OH

OH

OPO3H2

+ NADH + H+

(1) OH

CH

CH

CH2OPO3H2

OH

OPO3H2

(2) OH

CH

CH

CH2OPO

3H

2

O

OPO3H2

OH

C

CH

CH2OPO

3H

2

+ ADPO

(3) OH

C

CH

CH2OPO

3H

2

O

OPO3H

2

OH

C

CH

CH2OPO3H2

+ ATP

OH

CHO

CH

CH2OPO

3H

2

+ NAD+

+ H3PO4

OH

OH

OPO3H2

+ NADH + H+

(1) OH

CH

CH

CH2OPO3H2

OH

OPO3H2

(2) OH

CH

CH

CH2OPO

3H

2

O

OPO3H2

OH

C

CH

CH2OPO

3H

2

+ ADPO

(3) OH

C

CH

CH2OPO

3H

2

O

OPO3H

2

OH

C

CH

CH2OPO3H2

+ ATP

4

Din punct de vedere energetic, aceast reacie este stadiul cel mai important al glicolizei reacia simpl fiind intens exergonic, ar pune n libertate sub form de cldur 16 kcal, dar n aceast situaie 7 kcal din total se depoziteaz sub form de energie chimic, genernd o molecul de ATP. Este o reacie de dehidrogenare a aldehidei fosfoglicerice cuplat cu reducerea NAD+ i sinteza de ATP. ntr-o prim etap, enzima, a crei activitate reclam prezena NAD+, intr n reacie cu substratul, pe care l fixeaz cu ajutorul centrului activ ce prezint o funcie sulfhidril, formnd un compus intermediar, tiosemiacetal, cu o legtur srac n energie. n urmtoarea etap compusul intermediar este dehidrogenat n prezena NAD+ cu formare de NADH + H+, rezultnd un tioester cu o legtur macroergic. n prezena fosfatului anorganic are loc un proces de fosforilare, cu eliberarea enzimei, formndu-se acid 1,3-difosfogliceric cu o legtur acil-fosfat bogat n energie, care ncheie reacia de dehidrogenare a gliceraldehidei.

n a aptea etap, fosfogliceratkinaza catalizeaz transferul radicalului fosforil, cu legtura macroergic, din poziia 1 a acidului 1,3-difosfogliceric la ADP, formnd ATP i o molecul de acid 3-fosfogliceric. Aceasta este prima sintez n catena glicolitic. n acest etap bilanul energetic se egaleaz sau chiar devine pozitiv, dup cum dintr-o molecul de glucoz se sintetizeaz dou molecule de DHAP, respectiv dou molecule de ATP. Etapa e opta este etapa n care are loc rearanjarea intramolecular a acidului 3-fosfogliceric sub aciunea enzimei fosfogliceratmutaz. Se formeaz acid 2-fosfogliceric, care reprezint chiar coenzima acesteia. Echilibrul se stabilete cnd 15% din acidul 3-fosfogliceric este transformat n acid 2-fosfogliceric.

Enolaza sau fosfopiruvathidrataza catalizeaz reacia de dehidratare a acidului 2-fosfogliceric, reacie ce reprezint a noua etap din calea glicolitic. Se formeaz acid fosfoenolpiruvic (PEP), care este un compus macroergic. Energia stocat n acest legtur va fi transferat, mpreun cu radicalul fosfat, sintetizndu-se o nou molecul de ATP din ADP n a zecea etap. Reacia are loc n prezena piruvatkinazei i conduce la formarea de acid enolpiruvic, care se transform spontan n acid piruvic.

OH

COOH

CH

CH2OPO3H2

Acid 3-fosfogliceric

fosfoglicero- mutaza

COOH

C OPO3H2

Acid 2-fosfogliceric

H

CH2OH

H2O

enolaza

COOH

C OPO3H2

Acid fosfo-enol-piruvic

CH2

COOH

C OH

Acid enol- piruvic

CH2

fosfo-kinazapiruvica

spon-tan

COOH

C O

Acid piruvic

CH3

A unsprezecea etap o reprezint reacia de reducere a acidului piruvic la acid lactic, n prezena enzimei lactat dehidrogenaz. Aceasta are drept coenzim NADH + H+ care a fost sintetizat n etapa a asea, n reacia de fosforilare oxidativ. Ca i n cazul anterior, se obin dou molecule de ATP dintr-o molecul de glucoz. Bilanul energetic al glicolizei poate fi calculat pe baza cantitii de ATP consumat i format n catena de degradare a glucozei sau a glicogenului. Deci bilanul energetic va fi:

Glucoz acid piruvic 4 ATP 2 ATP = 2 ATP

Glicogen acid piruvic 4 ATP 1 ATP = 3 ATP

5

Se remarc n urmtoarea schem asemnrile glicolizei cu fermentaia alcoolic.

Ciclul Krebs:

- Rolul ciclului acidului citric (Krebs); - Reacii n ciclul Krebs; - Enzime implicate n ciclul Krebs; - Bilanul energetic al ciclului Krebs.

ADP

GLICOLIZA

H2O

Triozofosfatizomeraza

Glucoza

Hexokinaza

FERMENTATIA ALCOOLICA

ATP

Glucozo-6-fosfat

Fosfoglucozoizomeraza

Fructozo-6-fosfat

ADP

ATPFosfofructo-kinaza

Fructozo-1,6-difosfatAldolaza

Dihidroxi-

aceton-fosfatGlicerinaldehid-

3-fosfat

NADH + H+

NAD+ + H3PO4Glicerinaldehid

3-fosfatdehidrogenaza

1,3-DifosfogliceratADP

ATP

Fosfoglicerat-

kinaza

3-Fosfoglicerat

Fosfoglicero-mutaza

2-Fosfoglicerat

Enolaza

FosfoenolpiruvatADP

ATP

Piruvat-kinaza

Piruvat

Glicogen + H3PO4

Glucozo-1-fosfat

Acid lactic

NADH + H+

NAD+

Acetaldehida

CO2

DEGRADAREA ANAEROBA A ZAHARURILOR

NADH + H+

NAD+

Alcool etilic

Fermentatia alcoolica si glicoliza: asemnari i deosebiri

6

Ciclul Krebs

Rolul ciclului acidului citric (ciclul Krebs, ciclul acizilor tricarboxilici) n metabolismul eucariotelor

(plante i animale) este acela de a furniza combustibilul necesar respiraiei. Acesta, la rndul su, sub

form de nucleotide reduse (NADH i FADH2) este consumat (ars) n prezena oxigenului molecular, la

nivelul citocromilor, cu eliberare de energie sub form de ATP. ntr-o prim etap, ntre acidul

oxalilacetic i acetil-coenzima A are loc o reacie de condensare la care particip grupa CH3 a acetilului i

n care se formeaz acid citric.

CH3COCOOH

CH3CO~SCoA

Ciclul acizilor

tricarboxilici

Acid piruvicAcizi grasi

Sinteza de ATP in mitocondrie

CO2

CO2

2 H+ + 2 e Echivalenti de reducator

Sistem de transport

de electroni

11 ATP

GTP

Acizii citric, -cetoglutaric, fumaric i malic sunt componentele normale ale tuturor celulelor vii.

Oxidarea final a hidrailor de carbon, n toate celulele vii, decurge prin acest mecanism. Unii dintre

intermediarii ciclului lui Krebs se transform n grsimi i n aminoacizi sau se formeaz din aminoacizi

naturali, ca alanina, acidul asparagic i acidul glutamic.

Succesiunea de reacii ncepe cu acidul citric i se termin cu acidul oxalilacetic, se elibereaz

2CO2 i 8[H] i se consum 2H2O. Reacia global a ciclului ar putea fi scris astfel:

CH3COOH 2CO2 + 2H2O + 8[H] Bilanul energetic al ciclului Krebs Deoarece dintr-o molecul de glucoz rezult dou de acid

piruvic, din ciclul acidului citric rezult 32 legturi bogate n energie. n plus, din prima faz a procesului

oxidativ mai rezult alte opt legturi bogate n energie. ntregul proces de oxidare a unei molecule de

glucoz (sub form de glicogen) d natere la 40 legturi bogate n energie, cu un coninut de 460 kcal,

utilizabile pentru sinteze. n procesul oxidativ se produce deci incomparabil mai mult energie dect n

procesul anaerob.

7

Prin arderea complet a glucozei n bomba calorimetric se degaj (H) 674 kcal/mol. Variaia

entropiei (TS din ecuaia: G = HTS) este de circa 12 kcal, aa nct descreterea total a entalpiei

libere (G) este de 686 kcal. Dintre acestea se pot recupera, n oxidarea biochimic a glucozei, circa

67%, ntr-o form utilizabil pentru a produce un lucru mecanic sau sinteze chimice endoergice.

In ciclul acizilor tricarboxilici are loc oxidarea complet a acetil coenzimei A. Reaciile au loc n

mitocondrii, unde se mai gsesc complexul multienzimatic de dehidrogenare a piruvatului i cel de -

oxidare a acizilor grai, care produc acetil coenzim A. Rolul principal al ciclului Krebs este producerea

echivalenilor de FADH2 i NADH + H+ , deci a combustibilului pentru formarea de ATP prin oxidare lor

n lanul transportor de electroni. i acest transport de electroni are loc numai n mitocondrie.

Etapa Reacia Enzima G

kcal/mol

1. Acetil CoA + oxaloacetat + H2O Citrat + CoA + H+ Citrat sintetaz 7,5

2. Citrat cis-aconitat + H2O Aconitaz + 2,0

3. cis-Aconitat + H2O izocitrat Aconitaz 0,5

4. Izocitrat + NAD+ -cetoglutarat + CO2 + NADH Izocitrat dehidrogenaza 2,0

5. -Cetoglutarat + NAD+ + CoA Complexul -cetoglutarat 7,2

Succinil CoA + CO2 + NADH dehidrogenazei

6. Succinil CoA + H3PO4 + GDP Succinat + CoA + GTP Succinil CoA sintetaz 0,8

7. Succinat + FAD Fumarat + FADH2 Succinat dehidrogenaza 0

8. Fumarat + H2O L-Malat Fumaraz 0,9

9. L -Malat + NAD+ Oxaloacetat + NADH + H+ Malat dehidrogenaz + 7,1

Not : Toate reaciile sunt reversibile.

8

Malat

Izocitrat

-Cetoglutarat

Fumarat

H2O + CH3CO

FADH2

Succinat

Citrat

Succinil CoA

Oxalilacetat

NAD+

NADH + H+

NADH + H+

+ CO2

+ CO2

GDP + Pi

GTP

NADH

Citrat

sintetaz

Aconitaz

Izocitrat

dehidrogenaz

Complexul

-Cetoglutarat

dehidrogenazei

Succinil CoA

sintetazSuccinil

dehidrogenaz

Fumaraz

Malat

dehidrogenaz

Ciclul acidului citric (ciclul Krebs)

Malat

Izocitrat

-Cetoglutarat

Fumarat

H2O + CH3CO

FADH2

Succinat

Citrat

Succinil CoA

Oxalilacetat

NAD+

NADH + H+

NADH + H+

+ CO2

+ CO2

GDP + Pi

GTP

NADH

Citrat

sintetaz

Aconitaz

Izocitrat

dehidrogenaz

Complexul

-Cetoglutarat

dehidrogenazei

Succinil CoA

sintetazSuccinil

dehidrogenaz

Fumaraz

Malat

dehidrogenaz

Ciclul acidului citric (ciclul Krebs)

Reacii n Ciclul Krebs (se pot scrie n linie i descrie n detaliu, deoarece aici sunt redate succint).