Biochimie 2.docx

Ciclul acizilor tricarboxilici TCA (ciclul citratului) KREBS

TCA este un process la nivelul caruia se realizeaza catabolizarea completa a tuturor componentelor cu caracteristici energetice si a unor componente cu caracteristici amfibolice(intermediari metabolici impolicati atat in biosinteze cat si in degradari). TCA reprezinta calea comuna ifnala prin care metabolitii se transforma in principal in energie metabolica. Toate componentele biochimice (lipide, zaharide, proteine, aminoacizi) se transforma prin catabolism intr-un intermediar comun numit acetil coenzima A care intra sub aceasta forma in TCA in vederea transformarii atomilor de C in CO2, a atomilor de H in H2O, transformari care sunt acompaniate de preluarea electronilor si a protonilor de catre coenzimele oxidate care se transforma in coenzime reduse si care sunt capabile ca la nivelul catenei respiratorii sa elibereze echivalentii de reducere. Echivalentii de reducere (electronii, ionii de hidrura si protonii) creeaza la nivelul membranelor interne mitocondriale si la nivelul mitosolului gradiente protonice, electronice si de potential care se materializeaza prin inmagazinarea energiilor de natura fizica in energi de natura metabolica. Majoritatea acestor energi de natura fizica se inmagazineaza sub forma unor legaturi chimice covalente in produsi macroergici care sunt capabili fie sa o stocheze, fie sa o transfere rapid si eficient unor procese metabolice care necesita energie pentru desfasurare. TCA se desfasoara in majoritatea biosistemelor (biosisteme care poseda mitocondrii), si din aceasta cauza se poate aprecia ca are caracter universal. TCA se desfasoara strict la nivelul mitocondriei unde exista intregul echipament enzimatic necesar. In ansamblul sau, acetilul activat (intermediarul comun majoritatii degradarilor) in prezenta apei se transforma in CO2 si atomi de oxigen. Procesul TCA se realizeaza la nivelul celulelor si in prezenta oxigenului molecular fara ca acesta sa fie implicat direct. Prima reactie din TCA presupune condensarea aldolica dintre acetilul activat care actioneaza ca si componenta metilenica si oxaloacetatul care actioneaza ca si componenta carbonilica. Procesul biochimic e catalizat de citrat sintetaza care este o enzima in care mecanismul in care este implicata este de tip acidobazic (puternic sensibil la actiunea pHului din mediu) reactia este puternic exergonica si ireversibila. Deoarece la sfarsitul TCA se obtin ca produsi principali nicotinamidele in forma redusa si la capatul catenei respiratorii se obtine ca produs final ATP (energie metabolica), citrat sindetaza poseda ca inhibitor reversibil forma redusa a nicotinamidelor si ATP. In acest mod, bogatia (saracia) celulara este implicata in reglarea primei reactii din TCA si respectiv in reglarea intregului proces TCA. In urmatoarea etapa a TCA, acidul citric rezultat anterior in prezenta aconitazei sufera un proces de deshidratare-hidratare in urma caruia se transforma in acid izocitric. Procesul este reversibil si foarte putin deplasat la dreapta. Insa, odata cu consulul acidului izocitric in urmtoarea etapa a procesului TCA, reactia catalizata de aconitaza se deplaseaza etapizat spre dreapta pentru refacerea acidului izocitric consumat. Gruparea hidroxil se transforma la nielul acidului citric de pe atomul de C tertiar pe un atom

de carbon secundar (oxidabil) in absenta acestui proces de izomerizare, acidul citric nu se paote transforma prin oxidare la nivelul atomului de carbon tertiar, deci procesul TCA nu poate avansa. Aconitaza este o metaloenzima (dupa procesul biosintetic al lantului polipeptidic, post-translational sunt legati 4 ioni de Fe prin intermediul atomilor de Sulf prezenti in resturile de cisteina). Aconitaza leaga atomii de Fe intr-o structura de tip cluster (cusca) in care legaturile nu sunt identeice cu cele din hemoglobina sau mioglobina. In urmatoarea etapa a procesului TCA se realizeaza oxidarea gruparii hidroxil din acidul izocitric pana la gruparea carbonil cetonic cu formarea oxalosuccinatului. Cataliza se desfasoara in prezenta izocitradehidrogenazei NADP (NAD) dependenta. Procesul de oxidare este deosebit de lent (viteza de desfasurare a oxidarii este cea mai mica din intreg procesul TCA). Din aceasta cauza, izocitratdehidrogenaza catalizeaza etapa determinanta de viteza a procesului TCA. Daca izocitratdehidrogenaza NAD-dependenta are ca activator saracia energetica (concentratia ADP), izocistratdehidrogenaza NADP dependenta poseda ca inhibitor acelasi compus (ADP). Este cunscocut faptul ca nicotinamidele in forma redusa, in structura simpla sau in structura fosfat prezinta implicatii metabolice diferentiate. Daca NAD (NADH) sunt implicate in procesele degradative, NADP (NADPH) sunt implicate in procesele biosintetice. Ca intermediar a reactiei de oxidare, in prezenta izocitratdehidrogenazei se obtine un cetoacid care este instabil si se stabilizeaza rapid prin expulzare unui mol de CO2 pana la acidul alfacetoglutaric. Caidul alfacetogrutaric in urmatoarea etapa tinde sa se activeze (prin constituirea unei legaturi macroergice) in prezenta conezimei A cu formarea succinil-coenzimei A care poseda legatura macroergica carbon-sulf. Procesul este catalizat de alfacetoglutaratdehidrogenaza si in prezenta coenzimei A. Intermediarul metabolic, succimilcoenzima A in prezenta succinattiochinazei si in prezenta fosfatului anorganic si a guanidin-difosfatului se transforma in acidul succinic ca intermediar metabolic alaturi de guanidin-trifosfatul. Reactia este exergonica si la capatul acesteia se obtine compusul macroergic GTP similar cu ATP (depozitar de energie). Spre deosebire de ATP, care poate transfera direct energia metabolica inmagazinata unui reactant, GTP necesita transformarea in ATP in prezenta ADP pentru a putea fi utilizat in desfasurarea unor procese metabolica consumatoare de energie. Aceasta etapa a procesului TCA este printre putinele cunoscute in metabolism in care se constituie energie metabolica altfel decat sub forma de ATP. Oxaloacetatul poseda 4 atomi de C, iar pana la acest moment, s-au consumat integral cei 2 atomi de C proveniti din acetilul activat prin eliberarea lor sub forma de CO2. Deoarece oxaloacetatul in TCA trebuie sa fie recuperat in vederea reutilizarii in reactia de condensare cu acetilul activat, acesta se va reface cantitativ in urmatoarele etape TCA. Din aceasta cauza, acidul succinic in prezenta succinatdehidrogenazei FAD dependenta se transforma in acidul fumaric (forma trans a acidului maleic). Ca si aconitaza, siccinatdehidrogenaza este o metaloenzima in care ionii de Fe sunt complexati nehemic la nivelul macromoleculei proteinenzimei. Succinat dehidrogenaza este incastrata in membrana interma mitocondriala. In cataliza, succinatdehidrogenaza se comporta ca o oxidoreductaza si chiar daca variatia entalpiei libere este nula, aceasta reactie nu este determinata de viteza, procesele de oxidare-reducere la care participa succinatdehidrogenaza se gasesc continuu sub controlul unor efectori alosterici specifici:

actiunea de inhibare asupra acesteia au acidul malonic si derivatii acestuia prezenti in mediu, de asemenea oxaloacetatul actioneaza ca inhibitor, comportandu-se ca inhibitor al propriei biosintezei (cresterea concentratiei mitosolice de oxaloacetat diminueaza puternic activitatea enzimatica). Ca activator al succinatdehidrogenazi actioneaza acidul succinic (reactantul care o data cu cresterea concentratiei mitosolice determina deplasarea puternica a echilibrului in sensul formarii acidului fumaric). Acidul fumaric rezultat anterior in prezenta fumarazei intr-un proces exergonic se transforma in prezenta apei in acidul malic. Atat fumaza cat si succinatdehidrogenaza actioneaza stereospecific (prin cataliza succinatdehidrogenazei se obtine doar acid fumaric, iar prin cataliza fumarazei se obtine unul dintre stereoizomerii posibili, iar acesta actioneaza strict asupra acidului fumaric, chiar si in prezenta acidului maleic). In ultima etapa a procesului TCA, se recupereaza cantitativ oxaloacetatul initial intr-un proces puternic endergonic in prezenta malat-dehidrogenazei NAD dependenta. Malatdehidrogenaza este o oxidoreductaza care catalizeaza transformarea gruparii hidroxil in gurpare carbonil prin transferul electronilor si al protonilor la nivelul nicotinamidelor oxidate. Reactia este puternic deplasata la stanga, ceea ce determina prezenta unei concentratii de oxaloacetat foarte mica la nivelul mitosolului si mentinuta la aceste valori, echilibrul fiind deplasat doar prin consulul oxaloacetatului rezultat anterior in prima etapa TCA. Malatdehidrogenaza este o izoenzima si una din tre isoenzime actioneaza la nivelul mitosolului si este NAD dependenta in timp ce cealalta izoenzima actioneaza la nivelul citosolului si este NADP dependenta. Malatdehidrogenaza este implicata in gluconeogeneza si aceasta are capacitatea sa catalizeze transformarea oxaloacetatului in acid malic (in sens invers TCA) care ulterior urmeaza etapele in vederea obtinerii glucozei din produsi nezaharidici (din intermediari metabolici, de regula hidroxi sau cetodeivati). Bilant de materiale si energetic: In procesul TCA, coenzimele reduse rezultate, NADH, FADH2 participa in mod direct pe membrana interna mitocondriala la fosforilarea oxidativa care presupune descarcarea de electroni si de protoni dea lungul acesteia cu formarea ATP la capatul acesteia. Toti intermediarii implicati in TCA pot sa-si urmeze linia metabolica sau se pot utiliza neingradit in unele procese biosintetice strict necesare la nivel celular. Biosinteza acizilor neesentiali este strict necesara la nivel celular deoarece prin deficiente de nutritie, acestia nu sunt introdusi in organism si in caz de necesitate, in absenta acestora, prcesul biosintetic proteic se intrerupe. Transportul amoniacuui prin intermediul lichidelor biologice. In numeroase procese metabolice se elibereaza ca produs secundar amoniacul care fiind solubil in lichidele biologice este transportabil prin intermediul acestora, dar cresterea concentratiei circulante a acestuia poate induce dezvoltarea unor patologii (toxicaoze) si chiar moarte. Acidul glutamic este principalul transportor al amoniacului prin transformarea in glutamina in prezenta glutamin sintetazei. Citratul rezultat ca intermediar TCA poate lega chimic coenzima A si respectiv acetilcoenzima A si datorita solubilitatii si capacitatii de transfer prin membrana intena mitocondriala, acetilcoenzima a legata sub forma de citrat poate traversa membrana mitocondriala in ambele sensuri. Acest proces de transfer este strict necesar deoarece acetilul activat rezulta majoritar la nivelul mitosolului si in bogatia energetica celulara acesta nu mai intra in TCA si tinde sa se concentreze in mitosol. Mentinetea concentratiei mitosolice a acetilului activat se realizeaza relativ usor prin coprezenta citratului care ajungand la nivelul citosolului, citratul pune in libertate acetilul activat care la acest nivel este utilizat majoritar in biosinteza acizilor grasi.

Energetic, din precesul TCA rezulta 3 moli de NADH carora le corespund 9 moli de ATP. De asemenea, se obtine un mol de flavina redusa FADH2 pentru fiecare ciclu TCA care corespunde evident la 2 moli de ATP. Se mai obtine un mol de GTP care se transforma de asemenea intr-un mol de ATP. Pentru fiecare mol de acetil activat se obtine 12 moli de ATP. Sinteza oxalacetatului: Oxalacetatul, pe langa utilizarea in TCA, se utilizeaza si in alte procese metabolice atat la nivelul mitosolului, cat si la nivelul citosolului. Din aceasta cauza, concetratia mitosolica a oxaloacetatului trebuie sa se mentina in limite care sa asigure desfasurarea in ocnditii optime a TCA si de asemenea obtinerea cantitatii de energie metabolica necesara. Cea mai importanta biosinteza a oxaloacetatului se bazeaza pe acidul piruvic(produsul final al glicolizei) care de la nivelul citosolului unde se produce traverseaza liber membrana interna mitocondriala si in prezenta piruvat carboxilazei se transforma in acidul oxaloacetic. Procesul este puternic endergonic si se desfasoara preferential in mitocondriile hepatice si renele. Un alt intermediar glicolitic implicat in biosinteza oxaloacetatului este fosfoenolpiruvatul care in prezenta fosfoenolpiruvatcarboxilazei se transforma in oxaloacetat intr-un proces exergonic deoarece fosfoenolpiruvatul este un compus macroergic instabil chimicdatoriata tensiunilor intramoleculare. Procesul de biosinteze se realizeaza la nivelul citosolului si la nivelul muschilor scheletici sau a miocardului. Aceasi enzima catalizeaza in sens opus procesul de gluconeogeneza din oxaloacetat. Obtinerea malatului: Se poate obitne la nivelul citosolului prin carboxișlarea acidului piruvic. Succinatul prezent in TCA se poate obtine la nivelul mitosolului din propionilul activat. De regula, acizii grasi poseda numar par de atomi de carbon, iar in degradarea acestora se obitne ca produs final acetilul activat (contine 2 atomi de carbon). Acizii grasi cu numar impar de atomi de carbon se transforma prin catabolizare in acetil activat is respectiv propionil activat (ultimii 3 atomi de carbon din moleculele acestora). Deoarece orice celula functioneaza in sistem semiconservativ eliminand in mediu doar componentele pe care nu le mai poate transforma, pripionilul activat prezent in mediul biologic este recuperat pe baza acestor percepte sub forma de succinil activat. Intermediar in procesul de acarboxilare se obtine metilpropionil activat care este instabil termodinamic si se transforma rapid in succinilul activat care poate sa fie utilizat ulterior fie in TCA, fie in alte procese metabolice. Nicotinamidele in forma redusa se obtine atat la nicelu mitosol cat si la nivel citosol (glicoliza). Necesarul energetic celular poate determina ca nicotinamidele reduse citosolice sa fie transferate in mitosol si de aici fie sa fie utilizate ca atare, fie la nivelul catenei respiratorii sa puna in libertate electronii si protonii pentru desfasurarea fosfolirarii oxidative (obtinerea energiei metabolice). Deoarece nicotinamidele nu sunt permeabile in raport cu membrana interna mitocondriala, acestea intro prima etapa citosolica reuc oxaloacetatul pana la acid malic, acidul malic este permeabil in raport cu membrana interma mitocondriala, o traverseaza si la nivelul mitosolului repune in libertate oxaloacetatul si respectiv nicotinamidele in forma redusa care participa nemijlocit la constituirea energiei metabolice.

Transferul acizilor grasi:

Acizii grasi care in metabolim se utilizeaza majoritar in scopuri energetice intre mese necesita transferul din citosol unde se biosintetizeaza in mitosol in vederea transformarii prin betaoxidare. Acizii grasi sunt ca si acetilul activat impermeabili in raport cu membrana interna mitocondriala si astfel nu pot trece ca atare prin aceasta. In schimb, in prezenta carnitinei, acizii grasi activati (acilconezima A) traverseaza membrana interna mitocondriala, carnitina functionand ca transportot membranar. In uirma transferului acizii grasi (acilcoenzima A) prin betaoxidare se transforma in acetilcoenzima A care mai departe se utilizeaza preferential energetic (TCA). Excedentul de acetil activat trebuie sa ajunga din mitosol in citosol in vederea utilizarii in biosinteza citoplasmatica a acizilor grasi. Pentru aceasta, acetilcoenzima A excedentara se transforma in acid citric sau citrat in prezenta oxaloacetatului, citratul este permeabil in raport cu Membrana interma mitocondriala si astfel ajunge la nivelul citosolului unde pune in liberate atat oxaloacetatul cat si acetilul necesar in biosinteza. Metabolismul citratului: Reglarea acidului TCA: Obtinerea acetilului activat din acid piruvic – ireversibila.