Lantul Respirator [PDF]

Zitiervorschau

OBIECTIVELE          

Oxidarea biologică. Dehidrogenarea substratelor - sursa energetică pentru sinteza ATP - ului. Enziniele dehidrogenăni. Lanţul respirator (schema). Complexele enzimatice. Acceptorii principali de electroni şi protoni, structura lor chimică. Potenţialul de oxido-reducere a componentelor lanţului respirator. Fosforilarea oxidativă. Locurile de fosforilare. Produsele finale ale oxidării. Reglarea intensităţii funcţionării lanţului respirator. Coeficientul P/O, controlul respirator. Decuplarea produselor de oxidare şi fosforilare, principalii agenţi decuplanţi. Rolul biologic al produsului de decuplare, respiraţia liberă. Mitocondriile, structura şi permeabilitatea selectivă a membranelor pentru diferiţi cumpuşi.. Sistemele-navetă de transport al echivalenţilor de reducere. Ipotezele principale, care explică procesele fosforilării oxidative. Ipoteza lui Mitchell. Oxidarea microzomală, rolul citocromului P450 în reacţiile de oxido-reducere. Vitaminele şi rolul lor în procesele de oxidare biologică. Noţiune de radicali liberi. Oxidarea peroxidică a acizilor graşi nesaturaţi din membrane. Sistemele de protecţie a celulei de acumilarea radicalilor liberi.

Oxidarea biologică Oxidarea biologică (OB) reprezintă totalitatea

reacţiilor de oxido-reducere ce decurg în celule şi ţesuturi.  Rolul: asigură organismul cu energie accesibilă în formă de ATP.  OB are loc prin reacţii de dehidrogenare → donarea atomilor de H2 sub formă de protoni şi electroni: H2→2H+ +2 ē. Are loc sub acţiunea E → dehidrogenaze, ale căror Co sunt NAD+ şi FAD

Dehidrogenarea substratelor NAD dependente. Enzimele dehidrogenării. 1.

Izocitrat +NAD→ alfa-cetoglutarat +NADH+H E- izocitratDH 2. Alfa-cetoglutarat +NAD → succinil Coa +NADH+H E-alfacetoglutaratDH 3.Malat +NAD →OA+NADH+H E-malatDH 4. DOP

Dehidrogenarea substratelor NAD dependente Lactat +NAD →Piruvat +NADH+H

E-lactatDH  Gliceraldehidfosfat +NAD +H3PO4→1,3 difosfoglicerat +NADH+H E- GAP DH  Hidroxiacil CoA +NAD →cetoacil Co-A +NADH+H E-hidroxiacil -CoA DH Dezaminarea Glu Oxidarea 3 hidroxibutiratului Catabolismul alcoolului 

SUBSTRATELE FAD dependente  Succinat +FAD →Fumarat +FADH2

E- succinat DH  Acil CoA + FAD →enoil-CoA+FADH2 E- acil CoA DH  Glicerol 3 P + FAD → GAP+ FADH2  NADH+H+ şi FADH2 rezultaţi în reacţiile de oxidare a acestor substrate transferă p şi ē în lanţul respirator.

Lanţul respirator (LR).  LR - un ansamblu (complex) de enzime

şi sisteme de oxido-reducere, ce participă la transferul H+ şi ē de la Co reduse (NADH, FADH2) la O2 cu formarea H2O.  Este ultima etapă a degradării aerobe.  Este localizat în membrana internă a MC

Funcţia LR: 1.Prin transferul protonilor şi electronilor →

Co se reoxidează, putînd asigura dehidrogenări în continuare. 2.Cînd Co se reoxidează, se eliberează energie ce serveşte la sinteza ATP.

Componentele LR 1.

NADH+H sau FADH2

FPN (NADH DH) - ca Co FMN - preia H2 de la NADH+H FPs (succinatDH)- ca Co FAD- preia H2 de la FADH2

Componentele LR 3. Coenzima Q

Componentele LR 4. Citocromii

b560, b562, b 566, c1, c, a şi a3

STRUCTURA CHIMICĂ a citocromului c CH3 CH3

N

H3C N 

OOC

CH2 CH2

S

HC

Fe

CH3 N CH

N

CH2 CH2 COO

CH2 protein

S

CH2

protein

CH3

CH3

Heme c

Componentele LR 5. Proteinele Fe-S a. între FP şi CoQ b. între cit b şi citc1

[2Fe-2S]

[4Fe-4S]

Schema LR

Potenţialul oxidoreducător 1. Fiecare verigă a LR poate exista în 2 forme – redusă şi oxidată, deci, Formează o pereche oxidoreducătoare 1. Fiecare sistem redox (O/R) este alcătuit dintr-un donor şi acceptor 2. Caracteristica lor principală este potenţialul oxidoreducător (redox), care se măsoară în volţi. 3.

El este măsura valorică a capacităţii de oxidare sau reducere a compusului

Potenţialul redox Cu cît potenţialul redox este mai electronegativ

cu atât este mai înaltă capacitatea de a ceda ē, şi invers, cu cît potenţialul este mai electropozitiv, cu atât este mai înaltă capacitatea sistemului de a adiţiona electroni. Sistemele redox sunt aranjate în ordinea creşterii potenţialului de oxido-reducere.

Potenţialul oxidoreducător al verigilor LR 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

NAD+/NADH.H+ ― -0,32V FAD/FADH2 – -0,05 V CoQ/CoQH2 ― +0,04 V cit.b (Fe3+)/cit.b (Fe2+) ― +0,12V cit.c1 (Fe3+)/cit.c1 (Fe2+) ― +0,22V cit.c (Fe3+)/cit.c (Fe2+) ― +0,25V cit.a (Fe3+)/cit.a (Fe2+) ― +0,29V cit.a3 (Fe3+)/cit.a3 (Fe2+) ― +0,55V ½O2/H2O ― +0,82V

Potenţialul oxidoreducător transferul în trepte permite eliberarea energiei în “pachete” a cărei valoare este în jurul lui –7,3 kcal/mol (cât necesită sinteza unui mol de ATP din ADP şi H3PO4).

4 H+ + 4 ē + O2 → 2 H2O + ΔG0 ΔG0 = ― 52,6 kcal Cantitatea energiei eliberate depinde de potenţialul redox

Energia liberă standard Ştiind potenţialul redox al fiecărei perechi se pot

calcula modificarea energiei libere standard. ΔG = -nFΔE n-numărul de ē F-constanta lui Faraday (23062 cal/V∙mol) ΔE0-diferenţa de potenţial ΔG = -2∙23062[+0,82-(-0,32)] = -52,6 kcal 7,3 x 3 = 21,9 cal Randamentul utilizării energiei libere – 42%

Energia liberă standard Torentul de ē e orientat în direcţia

micşorării energiei libere a sistemului Cu cît e mai mare diferenţa potenţialului dintre 2 redox perechi → cu atît mai mare e diminuarea energiei libere la transferul ē.

Complexele LR Nr.de Proteine

Grupările prostetice

Complex

denumirea

Complexul I

NADH Dehidrogenaza

46

FMN, Fe-S

Complexul II

Succinat-CoQ Reductaza

5

FAD, cit b560, Fe-S

Complexul III

CoQ-cit c Reductaza

11

cit b562, cit b566, Fe-S, cit c1,

Complexul IV

Citochrom Oxidaza

13

cit a, cit a3, Cu

Complexul I- NADH → CoQ – reductază 1mol ATP Inhibat: rotenonă(otravă pentru peşti), Na amital (barbiturat); pericidină (antibiotic)

Complexul II- succinat - CoQreductaza Variaţia de potenţial este de 0,07V; ΔG0 = -3,2 kcal/mol – nu se sintetizează ATP Inhibat – malonat (inhibiţie competitivă)

Complexul III- CoQ- citocrom c reductaza ΔG0 = -7,75 kcal – se sintetizează 1mol de ATP. Inhibat → antimicina A

Complexul IVCatalizează adiţia a 4ē la O2 molecular (a 2ē la ½O). citocromoxidază O2 + 4ē + 4H+ → 2H2O

 Căderea de potenţial de 0,54V.  ΔG = -24,8 kcal → se sintetizează 1mol de ATP  Inhibat: CO, ozide, cianide.

Complexele LR NADH+H+

FMN Fe-S

CoQ

b, c1 Fe-S III

I

FAD Fe-S succinat

II

c

aa3 Cu IV

O2

Toate componentele LR sunt dispuse în membrana internă a mitocondriilor. CoQ şi cit c funcţionează individual, iar celelalte componente se grupează în complexe.

Complexul V – ATPsintază  F0 → canal de protoni - străbate membrana

internă a MC, constă din 4 tipuri de proteină ce formează un sistem de pori transmembranari prin care trec protonii  F1- partea catalitică - se află în intregime în matrixul MC (formă de sferă). a. e alcătuită din cinci tipuri de proteine ααα (α3), βββ (β3), γ, δ, ε. b. la acest nivel are loc reacţia de condensare a ADP + Pi →ATP+H2O  Inhibată: oligomicină, atractilatul (glicozidă)

Mitochondrial ATP Synthase E. coli ATP Synthase These images depicting models of ATP Synthase subunit structure were provided by John Walker. Some equivalent subunits from different organisms have different names.

FOSFORILAREA OXIDATIVĂ reprezintă sinteza ATP din ADP şi

Pi (cuplată cu LR), pe seama energiei eliberate la transferul echivalenţilor reducători în LR de la coenzimele reduse la O2.

FOSFORILAREA OXIDATIVĂ

Deoarece transferul de ē are loc treptat,

energia se eliberează „în pachete” – în trepte . Pentru a se forma ATP diferenţa de potenţial trebuie să fie nu mai mică de 0,22V. Funcţionarea cuplată a LR şi FO este asigurată de 5 complexe

Puncte de fosforilare  Locusurile unde are loc sinteza ATP  1. 2. 3.

se numesc puncte de fosforilare. În LR (lanţul respirator) deosebim 3 puncte de fosforilare: NADH+H----CoQ Cit b----citc cita--cita3

Bilanţul general în procesele LRFO. NADH + H+ + ½O2 + 3ADP +

3Pi → NAD+ + 3ATP + 4H2O

FADH2 + ½O2 + 2ADP + 2Pi →

FAD + 2ATP + 3H2O 

Ipoteze principale cu privire la procesele de FO. Ipoteza lui Mitchell  Prin ce mecanism energia eliberată în LR este

cuplată cu formarea ATP? Teoria chimică, numită şi a intermediatorilor comuni (produşi intermediatori macroergici, precursori de ATP). Teoria conformaţională (energia este preluată de o proteină într-o conformaţie activă, ce stimulează ATP). Teoria chemiosmotică (Mitchell, 1961).

Piter D. MItchell (1920-1992) Premiul Nobel în chimie, 1978 pentru teoria chemiosmotică a cuplării oxidării cu fosforilarea în lanţul respirator

Teoria chemiosmotică postulează:

energia care determină sinteza ATP din ADP şi Pi îşi are originea în gradientul de protoni ce se stabileşte între suprafaţa internă şi externă a membranei interne mitocondriale în timpul transportului de electroni.

Ipoteza lui Mitchell  la transferul electronilor în LR se pompează

protonii din matrixul MC în spaţiu intermembranar. Protonii nu pot reveni înapoi deoarece membrana internă a MC nu este permiabilă apare gradient de protoni partea externă a membranei interne a MC→ pozitiv, dar cea internă – negativ

Gradientul de protoni Gradientul protonilor din matrice în spaţiul intermembranar are 2 componente :

1. Electrică (apărînd potenţial de membrană - ∆ψ (0,14V) 2 de pH (∆ pH) Împreună potențialul electric și gradientul protonic alcătuiesc potențialul electrochimic - ∆µН+

Gradientul de protoni determină FORŢA PROTON-MOTRICE (Δp) Δp = Δψ – 2,303(RT/F)· ΔpH, unde: ψ – potenţialul membranar; R – constanta gazelor; T – temperatura F – constanta Faraday

Ipoteza lui Mitchell Protonii revin din spaţiu

intermembranar în mitocondrii prin partea F0 (deoarece restul membranei este impermiabilă).  Acest flux de protoni este forţa morice care determină la nivelul subunităţii F1 sinteza de ATP din ADP+Pi

Membrana externă a MC

2Н+ 2Н+ 2Н+

АТP-sintaza

Membrana internă a MC

+ + + + + +

2е

Matrixul MC

-

2Н+ 2Н+ 2Н+

АDP Н3РО4

АТP

Mal

OAA Suc Fum MDH 2H+ 2H+ + NADH 2H+ matrix NAD FAD FADH2 C II SDH

CI

membrana internă

NADHDH

2e-

2H

+

spaţiul intermembranar

2H+ O2 H2O

C III

C IV

Cyt bc1

Cyt c ox

+ 3H ATP H +

ATPase

QH2

2H

+

cyt cox cyt cred 2H

+

H+

2H 2H+ 10H+ims/4H+m = 2.5H+ per ATP

+

3H+

ATP

Datele experimentale ce confirmă:  S-a confirmat generarea gradientului de

protoni în cele 3 puncte ale LR. Anume – gradientul de protoni se utilizează la sinteza ATP.  S-a demonstrat ca pH matrixului mitocondrial creşte, iar cel al mediului extern al membranei MC – scade (acid).  S-a argumentat că transferul H+ din MC în timpul transportului de ē şi revenirii lor prin ATP-sintetaza sunt comparabile cu viteza lor din cadrul FO în MC intacte.

CÂT de fosforilare Raportul între numărul de moli de ATP produşi şi

O2 consumat este numit „cît de fosforilare” P/O. De la NADH+H pînă la O2 - P/O = 3/1 – ramura lungă, De la FADH2 pînă la O2 - P/O = 2/1 – ramura medie.  P/O reflectă cuplarea transportului H+ şi ē (respiraţia) şi fosforilarea (sinteza ATP). Coeficient indică ce cantitate de P anorganic (H3PO4) se transformă în P organic (ATP) la transportul unei perechi de H+ şi ē în LR.

Inhibitorii ai fosforilării 

acţionează asupra ATP-sintetazei. Oligomicina blochează pătrunderea H+ prin FO (închide canalul)  cu încetul slăbeşte respiraţia → întrerupere.

Inhibitorii Fosorilării de ADP

X

Oligomycin Atractyloside

X

Transportul mitocondrial al ATP şi ADP ATP/ADP-

translocazei- asigură transferul ADP din citozol în MC în schimbul ATP din MC- citozol. Fosfattranslocaza – transferă Pi în MC, însoţit de deplasarea ionilor de H2.

ADP + Pi

ATP ATP4

matrix lower [H+]

__ ++

3 H+

ATP4 ADP3 H2PO4 H+

energy requiring reactions

ADP + Pi

higher [H+] cytosol

Controlul respirator  Organismele vii sintetizează ATP în

raport cu necesitatea lui – de aceea FO cuplată cu LR este riguros controlată.  Deoarece LR şi FO – etapa finală a degradării G, L, P controlul respirator se poate efectua atât prin compuşi direct implicaţi în LR şi FO, cât şi prin intermediatorii degradării celor 3 clase. 

Controlul respirator Rolul primordial îi revine ADP. 1.în lipsă de ADP rămâne blocat F1 din ATP

- sintază 2. nivelul ADP determină şi intensitatea transferului de protoni prin F0 3.ADP – reglator alosteric (+) pentru mai multe E ce sunt implicate în degradarea G, L şi P.

Controlul respirator Lipsa de ADP - inhibă respiraţia şi

stopează fosforilarea. La adăugarea de ADP creşte brusc consumul de 02 ---- se activeaza lantul respirator şi ADP se fosforilează la ATP.

La FO contribue: 

1. Integritatea membranei interne a MC

→ orice leziune duce la pierderea capacităţii de FO (în timp ce transferul de ē poate continua). 2. Impermeabilitatea membranei interne pentru ionii H+ OH- K+ Cl-.

Decuplarea produselor de oxidare şi fosforilare. Agenţi decuplanţi.

 FO poate fi decuplată cu ajutorul unor

substanţe chimice, ce inhibă sinteza ATP dar neafectînd LR – agenţi decuplanţi. La acţiunea lor respiraţia creşte, iar FO este inhibată. protonofori AD ionoforele



 Protonoforii → măresc

1. 2. 3. 4. 5.

permeabilitatea membranei pentru protoni(H+), lichidând potenţialul transmembranar. a.g. liberi 2,4 dinitrofenol salicilaţii (antiinflamatoare) dicumarol (anticoagulant) T3 şi T4 (h.gl.tiroide)

Decuplanţii

H+

2,4Dinitrophenol OH NO2

O NO2

H+

NO2

-

NO2

+ H+

H+

X

 Ionoforele – ei leagă şi transferă

ionii prin membrană: - valinomicina (↑ K+) , - nigericina (↑ K+), - gramicidina A → Na+, K+; H+.

Agenții decuplanți

măresc termogeneza

Respiraţia liberă – are loc decuplarea FO de LR şi toată

energia este convertită în căldură, care nu se utilizează la executarea funcţiilor celulare.  Astfel MC devin o sobă, ce produc căldură. E necesar când necesitatea căldurii este mai mare decât ATP. În ţesutul adipos brun – MC sunt specializate la producerea căldurii (nounăscuţi, animale în hibernare) – termogenina.

Respiraţia liberă – are loc decuplarea FO de LR şi toată

energia este convertită în căldură, care nu se utilizează la executarea funcţiilor celulare.  Astfel MC devin o sobă, ce produc căldură. E necesar când necesitatea căldurii este mai mare decât ATP. În ţesutul adipos brun – MC sunt specializate la producerea căldurii (nounăscuţi, animale în hibernare) – termogenina.

Oxidarea microsomală  Un alt tip de reacţii de OB este cel

oxigenazic. Acestea sunt catalizate de monooxigenaze.  Lanţurile monooxigenazice de oxidare sunt lanţuri scurte de transport al H+ şi ē a căror sursă sunt NADPH+H SH + O2 +NADPH + H  S-OH + H2O + NADP+  reducerea O2 şi incorporarea lui în anumiţi compuşi chimici (include un atom de O, celălalt este redus la H2O). 

un asemenea lanţ este microsomial - localizat

în RE al celulelor hepatice şi suprarenale. Rol esenţial îl are cit P450 (activatorul O2). El cuprinde o FP (FAD) la nivelul căreia H2 este disproporţionat în H+ şi ē.

Rolul OM Rolul: plastic şi dezintoxicare. În ficat – hidroxilarea medicamentelor,

neutralizarea toxinelor, hormonilor (sunt eliminaţi). În medulosuprarenale – sinteza noradrenalinei şi adrenalinei. În corticosuprarenale – sinteza colesterolului, hormonilor gluco- şi mineralocorticoizi.

Noţiune de radicali liberi La reducerea incompletă a O2 se

formează forme reactogene şi agresive ale substanţei cum ar fi: superoxidanionul, peroxidul; radicalul hidroxil sau peroxidul de hidrogen.

Specii incomplet reduse ale oxigenului ― 1.

O2 + ē → O2

(anionul superoxid)

2. O2― + 2H+ + ē → H2O2 (apa oxigenată) sau O2― + O2― + 2H+ → H2O2 + O2 3. H2O2 + O2― → HO• + HO― + O2 sau H2O2 + H+ + ē → HO• + H2O (radicalul hidroxil)

Rolul biologic Sinteza eicosanoizilor Reînnoirea membranelor biologice Apoptoza Transmiterea semnalelor intra- şi

intercelular

EFECTELE NOCIVE Denaturarea proteinelor Modificări în structura nucleotidelor din AN Peroxidarea lipidelor membranare Modificarea permeabilității membranare Creșterea influxului intracelular pentru sodiu, apă și

calciu Lezarea ADN mitocondrial și afectarea integrității proteinelor din LR mitocondrial

Speciile reactive ale oxigenului implicate în patogeneza: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Cancerogeneză Infarct miocardic Ateroscleroză Hipertensiune arterială Diabet zaharat Artrită reumatismală et.c.

Sistemul de protecţie antioxidantă 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Enzimatic Catalază SOD – superoxid dismutaza Glutation peroxidaza Glutation-S-transfe-raza Glutation reductaza Etc.

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Neenzimatic α-tocoferolul (vit.E) GSH (glutationul) Ac. Ascorbic (vit. C) Polifenolii Carnozina Etc.

AO enzimatici SOD  transformarea О2- în Н2О2 О2- + О2- + 2Н+ → Н2О2 + О2 Catalaza

2Н2О2 → 2Н2О + О2 Glutation reductaza Glutation peroxidaza

AO enzimatici H2O2

Glutation peroxidaza

2H2O

2G-SH

G-S-S-G

NADP+

NADPH+H+ Glutation reductaza