4 Metab. Glucidic - curs 1 PDF

Preview

Summary

METABOLISMULMetabolismul cuprinde totalitatea transformărilor chimice care au loc într-o celulă, ţesut sau organism. Aceste reacţii chimice nu au loc izolat, ci sunt organizate sub forma unor secvenţe de mai multe reacţii succesive care poartă numele de „ căi metabolice ”; în cadrul acestora, produs...

Description

METABOLISMUL Metabolismul cuprinde totalitatea transformărilor chimice care au loc într-o celulă, ţesut sau organism. Aceste reacţii chimice nu au loc izolat, ci sunt organizate sub forma unor secvenţe de mai multe reacţii succesive care poartă numele de „căi metabolice”; în cadrul acestora, produsul unei reacţii devine substrat pentru reacţia următoare. Căile metabolice sunt orientate spre patru direcții diferite: 1. Degradarea oxidativă a combustibililor metabolici din dietă și din depozitele tisulare (glucoză, acizi grași, aminoacizi) - scop: generarea de energie pentru a susține procesele de biosinteză și diversele procese fiziologice (contracția musculară, transportul activ, etc.). 2. Stocarea combustibililor metabolici (în perioadele post-prandiale), respectiv mobilizarea rezervelor (în perioadele inter-prandiale). - ex: glucoza este stocată sub formă de glicogen (în ficat și mușchi), acizii grași sunt depozitați sub formă de trigliceride (în țesutul aidpos). 3. Biosinteza de molecule biologice având diverse roluri structurale și funcționale. - ex: proteine, acizi nucleici, componente ale membranelor celulare (fosfolipide, sfingolipide), componente ale matricei extracelulare (proteoglicani), etc. 4. Degradarea biomoleculelor cu rol structural sau funcțional, cu formare de produși reziduali care sunt eliminați ca atare sau după detoxifiere. - ex: amoniacul rezultat din degradarea aminocizilor este detoxifiat prin transformare în uree, iar aceasta este eliminată prin urină; nucleotidele purinice din componența acizilor nucleici sunt degradate la acid uric, eliminat ca atare pe cale renală. Primele două direcții se referă la metabolismul energetic, care cuprinde transformările pe care le suferă moleculele cu rol de combustibil biologic (capabile să genereze energie). Aceasta reprezintă o parte extrem de importantă a metabolismului oricărui organism viu, având în vedere că majoritatea proceselor fiziologice, precum și procesele biochimice de sinteză, se desfășoară cu consum energetic. Căile care alcătuiesc metabolismul energetic pot fi de două tipuri: catabolice și anabolice. (#3)  Căile catabolice sunt implicate în degradarea moleculelor complexe (de natură glucidică, lipidică și proteică) obținute din mediu (sub forma nutrienților) sau din rezervele tisulare, în molecule mai simple, în cele din urmă CO2, H2O și NH3. Caracteristicile comune ale acestor căi sunt: - cuprind reacții oxidative (de dehidrogenare), în care echivalenții reducători sunt transferați pe coenzime nicotinamidice sau flavinice, cu generare de NADH, NADPH și FADH2; - în cursul lor are loc degajarea energiei libere conținute în moleculele degradate și conservarea sa parțială sub formă de ATP (căile catabolice sunt exergonice). Etapele catabolismului combustibililor biologici sunt: (#4) 1. Oxidarea glucozei, acizilor grași și a unor aminoacizi, cu formarea unui produs de degradare comun, acetil-CoA. 2. Oxidarea acetil-CoA în ciclul Krebs (ciclul acidului citric). În aceste prime etape, electronii îndepărtați în reacțiile de oxidare sunt încorporați în moleculele coenzimelor reduse NADH și FADH2. 3. Fosforilarea oxidativă: reoxidarea NADH și FADH2 în lanțul respirator (cu consum de oxigen), cuplată cu generarea de ATP.  Căile anabolice sunt implicate în sinteza moleculelor complexe din precursori simpli. Caracteristicile comune ale acestor căi sunt: - cuprind reacţii de reducere, în care donorul de echivalenţi reducători este NADPH; - au loc cu consum de ATP (sunt endergonice). 1

Catabolismul este un proces convergent: o varietate largă de molecule sunt transformate în câțiva produși finali comuni. Anabolismul este un proces divergent: un set restrâns de precursori simpli servește la sinteza unei mari varietăți de biomolecule complexe. Deși au roluri complet diferite, catabolismul și anabolismul sunt interrelaționate: mulți intermediari metabolici sunt împărtășiți de către cele două procese, iar precursorii necesari pentru căile anabolice se găsesc printre produșii căilor catabolice.  Rolul coenzimelor nicotinamidice și flavinice în procesele metabolice Coenzimele nicotinamidice (NAD+ și NADP+) și cele flavinice (FAD) colectează electronii eliberați în cursul catabolismului, în reacțiile de oxidare (dehidrogenare) ale diverșilor combustibili biologici. Ulterior, formele reduse ale acestor coenzime au roluri diferite: (#5)  NADH și FADH2 transferă echivalenții reducători oxigenului (acceptorul final de electroni), prin intermediul lanțului respirator. În acest proces, energia liberă degajată în cursul catabolismului este utilizată la sinteza ATP și stocată temporar sub această formă (procesul fosforilării oxidative).  NADPH are rolul de agent reducător: cedează echivalenții reducători către diverse substrate, în cursul reacțiilor de reducere din cursul anabolismului.

REGLAREA PROCESELOR METABOLICE Diversele căi metabolice nu se desfășoară cu viteze constante pe parcursul a 24 ore și, de asemenea, există diferențe între amploarea pe care o anumită cale metabolică o are în organe diferite, la un moment dat. Această variație în desfășurarea proceselor metabolice este determinată de fluctuațiile circumstanțelor în care se află organismul (intermitența aportului alimentar, modificarea compoziției dietei de la un prânz la altul, creșterea marcată a necesarului de ATP al mușchiului scheletic în timpul unui exercițiu fizic, scăderea disponibilității de oxigen într-un țesut datorită hipoxiei sau ischemiei). Procesele metabolice sunt supuse unor mecanisme reglatorii complexe, care asigură adaptarea vitezei lor de desfășurare la necesitățile particulare din fiecare moment ale unui anumit țesut sau ale organismului ca întreg. Reglarea căilor metabolice se realizează, în principal, la nivelul unei enzime cheie (reglatorie), care catalizează etapa limitantă de viteză din acea cale. Caracteristicile acesteia sunt:  este reacția cea mai lentă din întreaga cale (deoarece enzima care o catalizează se află într-o concentrație mică în celulă); astfel, viteza globală de desfășurare a căii metabolice respective depinde în mod esențial de viteza acelei reacții;  are un caracter ireversibil (fiind puternic exergonică);  este situată în prima parte a căii metabolice. Enzimele cheie sunt supuse unor mecanisme variate de control; modificarea activității sau a cantității lor determină ajustarea vitezei reacției pe care o catalizează și, în consecință, modificarea vitezei globale a căii metabolice respective.  Căile metabolice de natură anabolică și de natură catabolică sunt reglate independent, dar într-o manieră coordonată. Acest lucru este posibil datorită faptului că o cale de sinteză a unui anumit compus nu se suprapune exact cu calea utilizată pentru degradarea acelui compus: (#7) a) Uneori, cele două procese opuse se desfășoară pe căi complet diferite, fie în același compartiment celular (de ex. sinteza și degradarea glicogenului, care au loc în citosol ), fie în compartimente celulare diferite (de ex. sinteza acizilor grași are loc în citosol, iar degradarea acizilor grași are loc în mitocondrie); astfel, etapele reglatorii din cele două procese sunt localizate pe căi complet distincte. b) Alteori, calea de sinteză și calea de degradare a aceluiași compus împărtășesc unele etape, dar există și etape care cuprind reacții enzimatice distincte în cele două căi (de ex. degradarea și 2

sinteza glucozei); în aceste cazuri, etapele limitante de viteză care servesc ca puncte de control sunt catalizate de enzime care sunt unice pentru fiecare din cele două căi opuse. Reglarea coordonată (reciprocă) a căilor metabolice cu caracter opus presupune că activarea căii de degradare a unui anumit compus are loc în paralel cu inactivarea căii de sinteză a acelui compus și viceversa, astfel încât cele două procese să nu funcționeze concomitent cu viteze egale; această situație ar duce la formarea unui ciclu cu rezultat nul (ciclu inutil, ” futile cycle”) și, în multe situații, consumator de energie. Modalități de reglare a activității enzimelor cheie 1. Modificarea activității catalitice a moleculelor de enzimă existente în celulă Activitatea unei molecule de enzimă poate fi modificată în două moduri pricipale: alosteric și covalent. a) Modularea alosterică a activității enzimatice este, în general, declanșată de modificarea nivelului unui anumit metabolit în celulă. Efectorul alosteric poate fi un intermediar din calea respectivă, un produs al unei alte căi sau un compus cheie care indică starea metabolică sau energetică a celulei (de ex. NADH/NAD+ sau ATP/ADP/AMP). Modularea alosterică este foarte rapidă, efectul apare în intervale de timp de ordinul milisecundelor. b) Modificarea covalentă a activității enzimatice se realizează prin fosforilare defosforilare. (#9) Fosforilarea se realizează la resturi de serină, treonină sau tirozină prin transferul unei grupări fosfat din ATP, sub acțiunea unor protein kinaze. Una din principalele enzime din această categorie este protein kinaza AMPc-dependentă (protein kinaza A), care este activată de către AMP ciclic. AMPc, la rândul său, este un mesager secund sintetizat din ATP sub acțiunea adenilat ciclazei, enzimă situată în membrana plasmatică a multor celule și activată în urma acțiunii unor hormoni (printre care glucagonul și adrenalina). Defosforilarea este realizată prin îndepărtarea hidrolitică a grupării fosfat, sub acțiunea unor protein fosfataze. Una dintre acestea este protein fosfataza-1, care este activată printr-un mecanism complex de către insulină. Efectele fosforilării/defosforilării asupra enzimelor sunt diferite în funcție de enzimă: unele enzime se activează prin fosforilare, altele, dimpotrivă, se inactivează. Modificarea covalentă a activității enzimatice este relativ rapidă: secunde-minute. 2. Modificarea numărului de molecule de enzimă Numărul de molecule de enzimă dintr-o celulă depinde de viteza de sinteză și de viteza de degradare a acelei enzime. Viteza sintezei enzimei depinde de viteza transcripției genei codante și de viteza translației ARNm. Cantitatea de enzimă dintr-o celulă poate fi reglată prin modificarea vitezei de sinteză a unor noi molecule de enzimă: creșterea vitezei de sinteză va duce la creșterea cantității enzimei (proces numit inducție), scăderea vitezei de sinteză va duce la scăderea cantității enzimei (proces numit represie). Aceste procese sunt adeseori declanșate în urma acțiunii unor hormoni și sunt relativ lente, timpul necesar pentru instalarea efectelor lor în celulă fiind de ordinul minutelor-orelor. Un tip particular de reglare este reglarea feed-back, în care produsul final al unei căi metabolice controlează rata producerii sale. Are loc prin inhibiția alosterică sau prin represia enzimei limitante de viteză de către produsul final al căii. (#8)

3

METABOLISMUL GLUCIDIC Glucidele sau carbohidrații reprezintă cele mai abundente molecule organice din natură. În organismul uman, ele îndeplinesc o multitudine de roluri importante: - constituie o sursă importantă de energie (furnizează o fracțiune importantă, în general peste 50%, din caloriile unei diete echilibrate); - sub formă de glicogen, servesc ca formă de stocare a energiei în corp; - sub formă legată de alte tipuri de molecule (formând glicolipide, glicoproteine și proteoglicani), îndeplinesc diverse roluri structurale și funcționale: sunt componente ale membranelor celulare și ale matricei extracelulare, mediază unele forme de comunicare intercelulară. Structura glucidelor: #11-18. Glucoza este principalul glucid, deținând o poziţie centrală în cadrul metabolismului, din următoarele motive: - este un bun combustibil biologic, fiind relativ bogată în energie liberă; - poate fi stocată sub forma unui polimer cu greutate moleculară mare (glicogen), la care se poate apela atunci când aportul exogen de glucide lipsește; - poate da naștere unei game largi de biomolecule, utilizate în diverse procese de biosinteză (acizi graşi şi glicerol-fosfat, aminoacizi, riboză-5-fosfat, etc.). Sursele exogene de glucoză sunt reprezentate de glucidele din dietă: - polizaharide de origine vegetală (amidon) și, într-o mai mică măsură, de origine animală (glicogen); - dizaharide: zaharoză, lactoză, maltoză; - glucoză liberă.  Există 3 posibilităţi principale de metabolizare a moleculei de glucoză: (#19) 1 - degradarea prin glicoliză, urmată de ciclul Krebs, cu generare de ATP; 2 - depozitarea sub formă de glicogen; 3 - degradarea pe calea pentoz-fosfaţilor, cu generare de NADPH (agent reducător) şi riboză-5-fosfat (precursor în sinteza de nucleotide şi acizi nucleici).

GLICOLIZA Glicoliza este o cale de degradare a glucozei printr-o serie de reacţii enzimatice, care are ca scop eliberarea unei fracţiuni din energia conţinută în molecula glucozei şi conservarea ei sub formă de ATP. Este prima cale metabolică elucidată, fiind descrisă în anii 1930 de către Embden şi Meyerhoff. Glucoza este o sursă importantă de energie (substrat energogen) pentru toate ţesuturile. Glucoza este principalul carbohidrat din dietă; alte monozaharide sunt reprezentate de fructoză și galactoză, care sunt degradate prin transformare în intermediari ai glicolizei. Procesul glicolizei are loc în citoplasmă şi este o cale unică de metabolism, întrucât poate funcţiona atât în condiţii aerobe, cât şi anaerobe; capacitatea glicolizei de a furniza ATP în absenţa oxigenului are o importanţă crucială, aşa cum se va vedea ulterior.  În vederea angajării pe calea glicolizei, glucoza plasmatică trebuie să pătrundă în celule. Acest proces se realizează cu ajutorul unor transportori proteici membranari care aparţin familiei GLUT şi care sunt de mai multe tipuri, fiecare tip având o anumită localizare tisulară: (#21) - GLUT-4 − se găsesc în ţesutul adipos şi muscular; ei sunt depozitaţi în citoplasmă, insulina determinând translocarea lor în membrana plasmatică; - GLUT-1 − sunt localizaţi în eritrocit şi creier; 4

- GLUT-2 − se găsesc în ficat (și în celulele β pancreatice) şi sunt prezenţi permanent în membrana plasmatică, nedepinzând de acţiunea insulinei; ei realizează transportul glucozei prin difuzie facilitată în ambele sensuri, cu viteză mare, în felul acesta asigurând echilibrarea permanentă a concentraţiei glucozei extracelulare şi intracelulare.  Procesul glicolizei cuprinde două etape (faze): (#22,23) - o primă etapă în care se consumă energie sub formă de ATP, pentru fosforilarea (îmbogățirea energetică) a unor intermediari - este așa-numita fază pregătitoare; - o a doua etapă în care se generează ATP, astfel încât bilanţul energetic global este pozitiv. I. Etapa consumatoare de energie (#25) 1. Fosforilarea glucozei la glucoză-6-fosfat (G-6-P). (#24) Are loc prin transferul unei grupări fosfat din ATP pe gruparea –OH din poziţia 6 a glucozei. Întrucât reacţia are loc cu pierdere de energie liberă sub formă de căldură ( G° = –4 kcal/mol), are un caracter ireversibil. Acest proces de fosforilare a glucozei este important din două puncte de vedere: - realizează reţinerea glucozei fosforilate în celulă, determinând angajarea sa în procesul de metabolizare (numai glucoza liberă poate fi transportată prin membrana plasmatică); - energia eliberată prin ruperea legăturii fosfat macroergice din molecula ATP-ului este conservată parţial în legătura fosfo-esterică a G-6-P → glucoza fosforilată are o moleculă îmbogăţită în energie liberă, deci mai reactivă, ceea ce favorizează metabolizarea sa ulterioară. Reacţia de fosforilare a glucozei este catalizată de hexokinază (în toate ţesuturile) şi de glucokinază (în ficat). Cele două izoforme diferă în privinţa afinităţii pentru substrat: - hexokinaza are un Km mic pentru glucoză (0,1 mM), deci o afinitate mare, ceea ce face ca această enzimă să asigure fosforilarea eficientă a glucozei chiar în condiţiile unei concentraţii scăzute a glucozei plasmatice şi tisulare; - glucokinaza din ficat are un K m mare (10 mM) pentru glucoză, ceea ce traduce o afinitate mică pentru glucoză; ca urmare, glucokinaza funcţionează eficient numai atunci când concentraţia intracelulară a glucozei este mare, aşa cum se întâmplă postprandial, când există un aport crescut de glucoză la nivel hepatic prin vena portă; prin acţiunea sa, glucokinaza contribuie la minimizarea hiperglicemiei postprandiale. Glucozo-6-P reprezintă un punct de răscruce în metabolismul glucidic, fiind precursorul pentru toate căile care utilizează glucoza, principalele fiind: glicoliza, calea pentoz-fosfaților și sinteza de glicogen. 2. Izomerizarea glucozo-6-fosfatului la fructoză-6-fosfat (F-6-P). Această reacţie constituie un proces de izomerizare aldoză-cetoză şi este catalizată de fosfohexoz izomeraza, având un caracter reversibil. 3. Fosforilarea fructozo-6-fosfatului la fructoză-1,6-difosfat (F-1,6-P2). Are loc prin transferul unei grupări fosfat din ATP pe gruparea –OH din poziţia 1 a F-6-P, proces care are loc cu pierdere de energie liberă sub formă de căldură, ceea ce îi conferă un caracter ireversibil (G° = –3,4 kcal/mol). Aceasta este prima etapă care angajează ferm glucoza pe calea glicolizei, G-6-P şi F-6-P putând urma şi alte căi, pe când F-1,6-P2 este direcţionat spre glicoliză. Reacţia este catalizată de fosfofructokinaza-1, care deţine un rol major în cadrul glicolizei, fiind principalul punct de control al vitezei de desfăşurare a acestei căi metabolice. 4. Scindarea fructozo-1,6-difosfatului în două trioze fosforilate: gliceraldehid-3-fosfat (GA-3-P, cuprinde atomii C4-C6 ai fructozei) şi dihidroxiaceton fosfat (DHAP, cuprinde atomii C 1C3 ai fructozei). 5

Reacţia este catalizată de aldolază (aldolaza A, spre a o deosebi de aldolaza B din muşchi, care acţionează asupra fructozo-1-fosfatului; enzima face parte din clasa liazelor).?? Întrucât numai GA-3-P poate fi degradat în continuare în glicoliză, intervine triozfosfat izomeraza, care catalizează o interconversiune cetoză-aldoză şi transformă DHAP în GA-3-P. II. Etapa generatoare de energie (#26) 5. Oxidarea gliceraldehid-3-fosfatului la 1,3-difosfoglicerat (1,3-DPG). Gruparea aldehidică a GA-3-P este oxidată în prezenţă de NAD+ şi fosforilată cu fosfat anorganic, cu formarea unei grupări carboxil(acil)-fosfat (de tip anhidridă acidă mixtă). În această reacţie, mare parte din energia liberă degajată în procesul oxidării este conservată în legătura carboxil-fosfat a 1,3-DPG, care este de tip macroergic ( G° pentru hidroliza acestei grupări este de −11,8 kcal/mol). Reacţia este catalizată de gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza, enzimă ce conţine o grupare −SH în centrul activ, la care substratul se leagă covalent prin gruparea sa aldehidică. Acceptorul de hidrogen în reacţia de oxidare este NAD+, care se reduce la NADH + H+ în cursul reacţiei. 6. Transferul grupării fosfat din 1,3-difosfoglicerat pe ADP, cu sinteza de ATP. Sub acţiunea fosfoglicerat kinazei, gruparea fosfat înalt energetică de la C1 al 1,3-DPG este transferată pe ADP, cu generarea unei molecule de ATP şi a 3-fosfogliceratului. Întrucât legătura carboxil-fosfat din 1,3-DPG înmagazinează mai multă energie (11,8 kcal/mol) decât este necesară pentru sinteza ATP din ADP şi Pi (7,3 kcal/mol), 1,3-DPG poate servi la sinteza ATP.  Cuplul reacţiilor catalizate de gliceraldehid-3-P dehidrogenaza şi fosfoglicerat kinaza reprezintă un proces de fosforilare la nivel de substrat: sinteza ATP prin fosforilarea ADP-ului, utilizând energia înmagazinată într-un substrat macroergic, fără participarea oxigenului. Energia eliberată prin oxidarea grupării aldehidice a GA-3-P la grupare carboxil este conservată prin formarea cuplată a ATP din ADP şi Pi. Sinteza ATP prin fosforilare la nivel de substrat reprezintă o cale complet distinctă de sinteza ATP prin fosforilare oxidativă, care este un proces strict aerob. 7. Transformarea 3-fosfogliceratului în 2-fosfoglicerat. Are loc sub acţiunea fosfoglicerat mutazei, care catalizează o reacţie de transfer reversibil al grupării fosfat între C-3 şi C-2 al gliceratului. 8. Deshidratarea 2-fosfogliceratului la fosfoenolpiruvat. Procesul este catalizat de enolază şi reprezintă a doua reacţie din glicoliză care generează un intermediar ce conţine un fosfat înalt energetic. Pierderea unei molecule de apă din 2-fosfoglicerat determină o redistribuire a energiei în interiorul moleculei, ducând la creşterea considerabilă a energiei libere înmagazinate în gruparea enol-fosfat (legătură de tip macr...