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.
5/28/2018 biochimia dinamica
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
5/28/2018 biochimia dinamica
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.
5/28/2018 biochimia dinamica
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
5/28/2018 biochimia dinamica
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).
5/28/2018 biochimia dinamica
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.
5/28/2018 biochimia dinamica
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)
5/28/2018 biochimia dinamica
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:
5/28/2018 biochimia dinamica
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:
5/28/2018 biochimia dinamica
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
5/28/2018 biochimia dinamica
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.
5/28/2018 biochimia dinamica
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.
5/28/2018 biochimia dinamica
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.).
5/28/2018 biochimia dinamica
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
5/28/2018 biochimia dinamica
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
5/28/2018 biochimia dinamica
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.
5/28/2018 biochimia dinamica
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)
5/28/2018 biochimia dinamica
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
5/28/2018 biochimia dinamica
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
5/28/2018 biochimia dinamica
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).
5/28/2018 biochimia dinamica
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:
5/28/2018 biochimia dinamica
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
+
5/28/2018 biochimia dinamica
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).
5/28/2018 biochimia dinamica
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.
5/28/2018 biochimia dinamica
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).
5/28/2018 biochimia dinamica
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).
5/28/2018 biochimia dinamica
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
5/28/2018 biochimia dinamica
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
5/28/2018 biochimia dinamica
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
5/28/2018 biochimia dinamica
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
5/28/2018 biochimia dinamica
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.