Ciclul Krebs si metabolismul aerob

Ciclul acidului tricarboxilic, numit si ciclu Krebs, contine aproximativ doua treimi din ATP-ul generat din reactia de oxidare. Caile oxidarii acizilor grasi, glucozei, aminoacizilor, acetatului, corpilor cetonici genereaza acetil-coenzima A (acetil-CoA) care este substratul ciclului acidului tricarboxilic (ATP).

Lantul respirator si fosforilarea oxidativa

Logica transformarilor resturilor acetil-CoA in ciclul Krebs este procurarea de energie. Moleculele „combustibil” ce sunt transformate pana la resturi acetil sunt glucidele, lipidele si proteinele. Utilizarea acestor substrate in reactii de oxidare (exergonice) asigura suportul energetic in proportii care depind de starea hormonala a organismului, de dieta, de tesut s.a.
Atat lantul respirator cat si fosforilarea oxidativa sunt procese mitocondriale. In procesele oxidative mitocondriale sunt incluse o serie de reactii de dehidrogenare. De exemplu, prin beta- oxidarea acizilor grasi, ciclul Krebs, glicoliza, dezaminare oxidativa s.a. au loc reactii de dehidrogenare in prezenta enzimelor, dehidrogenaze specifice care transfera echivalentii reducatori din substratele reduse pe acceptori. In cursul acestor transformari atomii de carbon din restul acetil sunt oxidati la dioxid de carbon. Coenzimele reduse NADH si FADH2 la nivelul mitocondriilor cedeaza echivalentii reducatori unui sistem specializat de transport a echivalentilor reducatori care se gasesc in membrana interna mitocondriala. Trecerea echivalentilor reducatori prin acest lant succesiv de componenti, face ca acestia sa ajunga in final la oxigenul molecular.
Acceptorul final al echivalentilor reducatori eliberati din diverse oxidari este oxigenul, ceea ce explica cea mai mare parte a consumului de oxigen al unui organism aerob, iar lantul transportor de echivalenti reducatori poarta din aceste condierente si denumirea de lant respirator.
Prin intermediul lantului respirator (etapa ultima a degradarii aerobe) se reoxideaza coenzimele reduse. Reoxidarea coenzimelor reduse faciliteaza in primul rand eliberarea unei cantitati de energie ce serveste sintezei de ATP, cat si posibilitatea continuarii dehidrogenarilor in caile degradative specifice (coenzimele putand fi astfel recirculate.
Prin intermediul ciclului Krebs din aceti-CoA rezulta CO2, NAD+ si FAD. De aici rezulta NADH+H si FADH2 din care va rezulta apoi H2o si NAD+, FAD.
Sinteza ATP, folosind energia degajata in lantul respirator se numeste fosforilare oxidativa cuplata cu lantul respirator. Ecuatiile reactiilor globale ce redau transferul echivalentilor de reduce de pe coenzime reduse pe oxigen sunt:
NADH+ H+1/2 O2 => NAD+H2O
FADH2+1/2 O2 => FAD+ H2O
Transferul acesta are loc printr-un numar mare de reactii intermediare, care fac ca energia corespunzatoare celor doua reactii de mai sus sa se elibereze treptat, in „pachete” mici. Fosforilarea oxidativa ofera explicatii asupra producerii celei mai mari parti de ATP si ADP si Pi. Deoarece atat lantul respirator cat si fosforilarea oxidativa se produc la nivelul membranei interne mitocondriale, dupa numarul de mitocondrii din celulele unui tesut putem aprecia capacitatea tesutului respectiv de a presta activitati metabolice aerobe.

Mitocondriile

Sunt organite citoplasmatice delimitate de doua membrane.
Membrana interna delimiteaza un spatiu denumit matrice membranara. Continutul matricei este denumit mitosol.
Membrana externa este de natura lipoproteica. Este liber permeabila pentru diferiti ioni, nucleotide si diversi compusi organici, permitand astfel patrunderea acestora in spatiul intermemranar.
Contine unele enzime implicate in metabolism lipidic, monoaminoxidaze, NADH-citocrom C reductaza, fosfonucleozidkinaza, fosfolipaza A, colinfosfotransferaz.
Membrana interna este mai sofisticata din punct de vedere structural si functional. Formeaza pliuri (criste) ce maresc suprafata acesteia. Are un continut apreciabil de proteine (aproximativ 80%) restul fiind lipide. Dintre componentii proteici, cei mai importanti sunt: sisteme selective de transport a unor perechi de compusi din mitosol in spatiul intermembranar (permeaze sau translocaze), componentele sistemului de fosforilare oxidativa, majoritatea componentelor lantului respirator, enzime ce transfera acizi grasi din citosol in mitosol, succinat dehidrohenaza (enzima a ciclului Krebs). Translocazele (permeazele) sunt proteine ce permit intrarea in mitosol (import) a unor componenti cum sunt: piruvatul, acizii grasi pentru a participa la procese mitocondriale oxidative, de asemenea acestea asigura iesirea din mitocondrie (export) a unor componente ce sunt substraturi pentru diferite procese citosolice (ca de exemplu lipogeneza, gluconeogeneza, ureogeneza).
Matricea mitocondriala contine multe componente importante ca de exemplu enzimele ciclului Krebs, enzimele beta-oxidarii acizilor grasi, sistemul multienziatic al piruvatdehidrogenazei, glutamatdehidrogenaza.

Componentele lantului respirator mitocondrial:

In general toti componentii lantului respirator sunt proteine (cu exceptia ubichinonei). De asemenea toate acestea proteine sunt hidrofobe si prezinta grupari prostetice capabile sa participe la transferul echivalentilor reducatori.
1. Flavinenzimele care pot fi dehidrogenaze flavinice ce au drept coenzime FMN sau FAD astfel:
- dehidrogenaza FMN-dependenta, flavoproteina N are coenzima FMN, luand echivalenti reducatori de la coenzima NADH+H care a colectat echivalentii reducatori de pe urmatoarele substraturi: beta-hidroxiacil-CoA, malat, glutamat, piruvat, izocitrat, alfa-cetoglutarat, glutamat.
- dehidrogenaza FAD-dependenta, flavoproteine S (notata FPs) are coenzima FAD, luand echivalentii reducatori de pe FADH2 ai succinatdehidrogenazei
- dehidrogenaza pentru glicerolfosfat (GPDH)
2. Proteinele cu Fe si S
Aceste proteine non-heminice, ce contin atomi de fier si sulf in „centre” ce se leaga pe partea proteica prin intermediul unor resturi de cisteina. Centrele redox Fe-S din aceste proteine sunt fie binucleare fie tetranucleare, putand ceda sau accepta un singur electron, desi contine multi atomi de fier.
3. Coenzima Q (Co Q) sau ubichinona (UQ)
Din punct de vedere structural seamana cu vitamina K. Este singurul component neproteic al lantului respirator. Portiunea chininica a moleculei poate fi redusa reversibil la semichinona sau cu doi electroni+ doi H, la ubichinol.
Este un compus lipofil solubil in membrsns. Portiunea poliizoprenica a moleculei ii asigura retentia si deplasarea in mediu lipidic al membranei. Participa la „ciclul Q”, un mecanism prin se pompeaza protoni la nivelul complexului III al lantului respirator.
4. Citocromii
Sunt hemoproteine ce difera intre ei prin structura grupului lor prostetic care este de tip hem. La mamifere exista trei tipuri de citocromi (a, b, c) ai lantului respirator mitocondrial cu subtipurile bK, bT, c1, a, a3. Acestea clasificare s-a facut dupa absorbtia selectiva a unor radiatii din domeniul vizibil al spectrului.
Toti citocromii (exceptie citocromul a3) contin Fe cu toate cele sase coordinatii satisfacute (4 cu atomi de azot ai porfirinei si doi cu doi atomi din apoproteine respective, de regula din resturi din histidina).
Citocromul C este cel mai bine studiat, fiind stabil, deoarece legatura intre hem si componenta proteica este covalenta.
Citocromul C este localizat in spatiul intermembranar mitocondrial. Fierul din structura sa se leaga de apoproteina nu numai prin doua legaturi coordinative, realizate cu un atom de S (met) si unul de N (his), ci prin doua legaturi covalente.

Organizarea si functionarea lantului respirator mitocondrial:

Din punct de vedere al organizarii componentelor lantului respirator, acestea sunt dispuse secvential in membrana interna mitocondriala, dupa valorile potentialelor lor redox standard, de la cele cu valori mai negative spre cele cu valori mai pozitive.
Cu exceptia CoQ si a citocromului C, care functioneaza individual, celelalte componente se grupeaza in complexe notate I, II, III si IV. Fiecare din cele patru complexe catalizeaza o reactie de oxido-reducere
Complexul responsabil de fosforilarea oxidativa numit ATP-sintaza se afla tot in membrana interna mitocondriala. Acest complex este cunoscut drept complexul V al lantului respirator mitocondrial si are proprietate ca in omemntul in care este extras din membrana catalizeaza reactia inversa, adica hidroliza ATP la ADP+ Pi, din aceste considerete mai numindu-se si H-ATP-aza. Structural complexul V este alcatuit din doua subunitati proteice F0 si F1.
Bioenergetice explica prin intermediul unor teorii mecanismul prin care energia eliberata in lantul respirator este utilizata la formarea ATP din ADP si Pi, prin fosforilare oxidativa. Viteza cu care este utilizat ATP-ul la nivel celular reflecta necesarul de ATP si acesta regleaza prin sinteza ATP la nivel mitocondrial, care este dependenta de transferul echivalentilor prin lantul respirator. Legatura dintre transportul de electroni in lantul respirator si fosforilarea oxidativa este „forta proton-matrice” (teorie dezvoltata de P. Mitchell).
La organismele vii sinteza de ATP se face in raport cu necesitatile de consum din fiecare moment. Pentru indeplinirea acestui deziderat cuplarea fosforilarii oxidative cu lantul respirator este riguros controlata.