METABOLISMUL GLUCIDELOR - Anabolismul, Catabolismul glucidelor

METABOLISMUL GLUCIDELOR

Anabolismul glucidelor

Fotosinteza

Fotofosforilarea

Fotoliza apei 

Fixarea sI transformarea dioxidului de carbon in glucide

Biosinteza oligoglucidelor

Biosinteza amidonului

Biosinteza pentozelor

Catabolismul glucidelor

Catabolismul anaerob- glicoliza

Catabolismul aerob

Ciclul Krebs

Fosforilarea oxidativa

Fermentatia

Anabolismul glucidelor

Fotosinteza

Este cel mai important proces de pe Pamant si reprezinta procesul de formare a substantelor organice din substante anorganice cu ajutorul energiei luminoase, in plantele verzi. Prin fotosinteza se consuma anual 396 . 10 ⁹ to CO₂, se formeaza 270 . 10 ⁹ to glucoza sI se elibereaza 288 . 10 ⁹ to oxigen. Fara clorofila viata nu ar fi posibila. La organismele eucariote fotosinteza are loc in cloroplaste, acolo unde se gaseste clorofila, singurul pigment vegetal capabil sa transforme energia luminoasa in energie chimica ; la acest proces contribuie si pigmentii clorofilieni b,c,d, carotenoide, flavonoide etc.

Formarea glucidelor in plantele verzi :

h , clorofila

6CO₂ + 6H₂O C₆H₁₂O₆+ 6O ₂+ 686 Kcal

Din punct de vedere chimic fotosinteza este un proces de oxidoreducere in care apa este oxidata sI CO₂ redus. Rezulta oxigen sI hidrogen, procesul se numeste fotoliza deoarece se petrece in prezenta luminii.

Fotosinteza are trei faze:

Fotofosforilarea    faza luminoasa

Fotoliza apei

Fixarea sI transformarea CO₂ in glucide - faza obscura.

Fotofosforilarea ciclica

Procesul de formare a ATP( acidul adenozin trifosforic) din ADP sI fosfat anorganic in cloroplaste, cu consum de energie luminoasa, in prezenta unor cofactori (chinone, citocrom b₆, citocrom f).

h , cofactor

n(ADP) + n(H₃PO₄)    n(ATP)

cloroplaste

NADP⁺+2H NADPH +H⁺

Hidrogenul este rezultat din fotoliza apei

Reactia este catalizata de enzima piridin nucleotid reductaza fotosintetica (PRNR). ATP sI NADPH + H⁺ reprezinta primele substante stabile formate in procesul de fotosinteza.

e^- chinone

ADP + P

ATP

clorofila a +e^-     citocrom f citocrom b₆

lumina ATP ADP+ P

Fotofosforilare ciclica cu consum de energie luminoasa

Electronul se intoarce la clorofila cu un potential mic de energie. In cursul etapelor de reintoarcere se formeaza ATP. Clorofila joaca rol de catalizator chimic, respectiv de agent reducator (pierde electronul) si de agent oxidant (accepta electronul), procesul fiind denumit si fotofosforilare clorofiliana.

ATP macroergic format serveste la biosinteza acidului 3 fosfogliceric si fructozei in cadrul etapei obscure a fotosintezei.

FOTOLIZA APEI

Descompunerea apei in hidrogen si oxigen sub actiunea radiatiilor luminoase sI cu participarea clorofilei: rezulta oxigen molecular care trece in atmosfera sI atomi de hidrogen care servesc la reducerea NADP ⁺ la NADPH + H ⁺ sI un circuit aciclic de electroni de la OH ^- ai apei la clorofila sI apoi la H ⁺

ai apei, sub actiunea radiatiilor luminoase.

Circuitul de electroni dintre ionii apei si clorofila determina procesul redox de reducere ai ionilor H⁺ la atomi de hidrogen si de oxidare a ionilor OH^- la oxigen molecular si apa si procesul de biosinteza a ATP din ADP si acid fosforic numit fotofosforilare aciclica sau oxidativa.

lumina

2H₂O    2H ⁺ + 2OH^- clorofila

clorofila

+2^e-    -2^e- ADP+P

2H 2OH H₂O + 1/2O₂    ATP

Fd

FdH₂

NADP⁺

NADPH+H⁺

Fotoelectronii energizanti circula intr-un singur sens : de la OH^- la clorofila apoi la H⁺ si la NADP⁺ .

h , clorofila

ADP + NADP⁺ + H₂O+ H₃PO₄ ATP + NADPH+ H⁺ + 1/2O₂

Reactia de fotoliza este cea mai importanta sursa de oxigen din natura.

Electronul expulzat de clorofila excitata este acceptat de NADP⁺. Clorofila oxidata va primi un alt electron de la OH^- (din ionizarea apei). Eliminarea electronului din OH^- se face printr-o reactie fotochimica secundara la care participa si pigmenti secundari.

Fosforilarea aciclica se cupleaza cu cea ciclica prin fluxul de electroni.

e^-    NADP⁺

Clorofila    NADPH+H⁺

h ferodoxina

H⁺

citocrom Plastochinona

e-                                 H₂O

pigment

ATP ADP+P HO^-

h e^- H₂O+O₂

FAZA DE INTUNERIC

Consta in fixarea CO₂ sI transformarea lui in glucide

6CO₂ + 12NADPH+H⁺ + 18ATP + 6C-P = 12C₃-P + 12NADP⁺ + 18ADP + 12P + 6H₂O

Transformarea co₂ in glucide poarta numele de ciclul lui Calvin sau calea C₃

izomerizare

Ester ribulozo ester3ceto1,5 CO₂

1,5 difosforic enol ribulozo difosforic

carboxilaza

acid 2 carboxil 3 ceto    H₂O NADPH+H⁺,ATP

1,5 difosforic acid 3 fosfogliceric

carboxidismutaza -H₂O

aldehida izomeraza fosfodihidroxi- aldolaza ester fructozo

3 fosfoglicerica acetona 1,6 difosforic

zaharoza

defosfatare    izomerizare

ester glucozo 6 ester gucozo 1 transglucozidaze

fosforic fosfoglucomutaza fosforic amidon

Refacerea esterului ribulozo 1, 5 difosforic are loc din aldehida 3 fosfoglicerica sI dihidroxiacetona

S-a calculat ca pentru fiecare molecula de CO₂ redusa se consuma 2 molecule de NADH+H⁺ sI 3 molecule de ATP. Pentru sinteza a 3 molecule de ATP se consuma 32 Kcal, iar pentru 2 NADPH+H⁺ se consuma 103 Kcal. O cuanta are 40 Kcal. Deci sunt necesare 4 cuante de energie; in realitate randamentul procesului este mai mic de aceea sunt necesare 6-8 cuante de lumina.

In concluzie, in procesul de fotosinteza se formeaza substante organice din substante anorganice, se consuma CO₂ care, daca s-ar acumula, ar pune in pericol viata omenirii, se formeaza oxigen pentru respiratie, se transforma energia luminoasa in energie chimica, se realizeaza circuitul C, O, N, P, S in natura.

Biosinteza oligozidelor

Este necesar ca una dintre oze sa fie activata sub forma de compus macroergic. Activarea se face prin fosforilare cu formare de esteri fosforici sau prin combinare cu UTP( acidul uridin trifosforic) rezultand UDP - derivat sau alti derivati nucleotidici (ADP, GDP, CDP, TDP) care au rol in formarea legaturilor glicozidice. Derivatii nucleotidici ai monoglucidelor sunt mult mai reactivi decat esterii fosforici deoarece au inmagazinata mai multa energie.

Prima faza este fosforilarea iar a doua reactia cu UTP.

fosfokinaza

Glucoza + ATP    ester glucozo 1 fosforic + ADP

ester glucozo 1 fosforic + UDP UDPglucoza + P-P

UDPglucoza +ester glucozo 6 fosforic ester trehalozo 6 fosforic+ UDP

Zaharoza

Se formeaza in citoplasma din produsi care apar in procesul de glicoliza (dihidroxiacetona, aldehida glicerica).

Zaharoza se mai poate obtine si din glucozo 1 fosfat :

uridintransferaza

UDPglucoza+ester fructozo 6fosforic ester zaharozo 6 fosforic + UDP

Zaharoza poate trece in amidon formand amidonul de sinteza care apare in procesul de fotosinteza. El se transforma in glucide simple de rezerva sau trece iar in amidon .

Maltoza apare prin hidroliza amidonului si prin reactii de transglucozidare sub actiunea unor alfaglucozidaze.

Izomaltoza rezulta din hidroliza aminopectinei.

Celobioza rezulta din hidroliza celulozei.

Biosinteza amidonului

Este un proces secundar care se desfasoara dupa formarea glucozei din fructoza, cu participarea enzimelor numite amilaze.

Reactia generala este de transglicozilare:

transglicozidaza

Glucozo-1-fosfat+Triglucid Tetraglucid+H₃PO4

Apoi se formeaza pentaglucid s.a.m.d. pana la amidon.

In afara de glucozo 1 fosfat se mai poate obtine amidon si pornind

de la UPD glucoza :

UDP transglicozidaza

UPD glucoza + Diglucid Triglucid + UDP

In acest mod rezulta amiloza

Amilopectina rezulta prin procese mai complexe: prin participarea enzimei Q care este capabila sa transfere un rest poliglucidic .liniar de tipul amilozei in pozitia 6 a unui rest de glucoza din alta catena liniara care sa nu fie mai mica decat un triglucid.

Enzima Q este raspandita in seminte sI drojdii, in frunze de spanac, cartofi sI are rol in formarea legaturilor 1,6 glicozidice dar sI la ruperea lor.

Amidonogeneza are loc fara participarea energiei luminoase, in plastidele celulare numite amiloplaste. Marimea sI forma granulelor de amidon formate variaza in functie de specie.

Randamentul mare al reactiei de sinteza a amidonului este favorizat de o concentratie mare de ester glucozo 1 fosfat, pH scazut sI o concentratie mica de acid pirofosforic.

Biosinteza amidonului din UDP glucoza sau ADP glucoza are loc in plastide sub actiunea amidonsintetazei folosindu-se ca acceptor maltoza, maltotrioza, maltotetroza. Acumularea amidonului are loc numai in mediu neutru si slab alcalin ; fructele acide nu contin amidon. In timpul germinatiei amidonul de rezerva din seminte sI tuberculi se degrazeaza prin hidroliza in maltoza sI glucoza.

In mod analog se formeaza sI alte poliglucide. De exemplu celuloza se formeaza in reticulul endoplasmatic sI in aparatul Golgi din UDP glucoza prin formarea legaturilor 1,4 glicozidice.

Biosinteza pentozelor

Pentozele au un rol insemnat in metabolismul glucidelor. Unele provin din ATP si UDP, altele din hexoze.

In plante pentozele se formeaza din esterul glucozo 6 fosfat ; hoxozele formeaza prin oxidare acizi aldonici si uronici care prin decarboxilare dau pentoze ; se mai pot forma din trioze si aldehida acetica.

CATABOLISMUL GLUCIDELOR

Procesul de degradare a glucidelor este un proces exergonic, glucidele reprezentand principala sursa de energie pentru organismele vii. Procesul poate incepe de la mono, oligo sau poliglucide.

Catabolismul glucidic se realizeaza dupa schema nr. 1

Daca degradarea incepe de la hexoze acestea duc la degradarea esterului glucozo 6 fosfat care este componenta cheie a metabolismului glucidic ; el reprezinta forma metabolic activa a glucozei.

Daca degradarea porneste de la amidon, acesta se desface prin fosforoliza sau hidroliza in prezenta de amilaze (de exemplu in timpul germinatiei) si rezulta ester glucozo 1 fosfat apoi ester glucozo 6 fosfat.

Calea aeroba de degradare a glucidelor se petrece prin oxidarea totala a acestora, cu consum de oxigen atmosferic si cu formare de CO₂ si H₂O - ciclul respirator.

Calea anaeroba conduce la formarea de acid piruvic, are loc in lipsa si fara consum de O₂ = ciclul glicolitic.

Calea pentozofosfatilor -in acest mod se obtin pentozele care sant componente deosebit de importante in formarea acizilor nucleici (riboza si dezoxiriboza).

Calea acizilor uronici conduce la formarea de acizi uronici, acid ascorbic, dioxid de carbon si apa.

Prin ciclul respirator se elibereaza 686 Kcal/mol glucoza, in ciclul glicolitic - 56 Kcal/mol de glucoza.

Degradarea aeroba este cea mai economica si se ocoleste numai daca lipseste oxigenul.

Energia care se elibereaza prin degradarea glucidelor este utilizata in biosinteza sau se inmagazineaza in compusii macroergici. Restul energiei chimice se transforma in energie calorica, energie mecanica etc. care servesc la crestere, miscare, transportul substantelor contra gradientul de concentratie.

Prin degradarea glucidelor rezulta, in afara de energie si compusi intermediari, lipide, protide, pigmenti etc.

Ciclul respirator este specific organismelor superioare iar cel glicolitic organismelor inferioare(bacterii, ciuperci). In lipsa aerului insa organismele superioare trec la ciclul glicolitic care este de scurta durata si care are conse cinte negative in cresterea si dezvoltarea plantei.

Glicoliza sau catabolismul anaerob al glucidelor

Reprezinta procesul de transformare a glucozei, pe cale anaeroba, in acid piruvic care, sub actiunea enzimelor, se transforma in alti compusI; produsele finale ale glicolizei difera de la specie la specie.

Reactii biochimice:

fosforilaza

I. Amidon     ester glucozo 1 fosforic glucozo 6 fosforic

ATP

Glucoza ester glucozo 6 fosforic

Glucokinaza

II .Izomerizarea esterului glucozo 6 fosforic la ester fructozo 6 fosforic.

III.Fosforilarea esterului fructozo 6 fosforic cu formare de ester fructozo 1,6 difosforic.

IV.Scindarea esterului fructozo l,6 difosforic in aldehida 3 fosfoglicerica sI fosfo dihidroxiacetona(trioze in echiliru), in prezenta aldolazei.

V. Oxidarea aldehidei 3 fosfoglicerice, energia rezultata fiind inmagazinata intr-o noua legatura macroergica .

VI. Acidul l,3 difosfogliceric se defosforileaza in prezenta de ATP sI fosfoglicerokinaza sI rezulta acid 3 fosfogliceric.

VII. In prezenta fosfogliceromutazei se formeaza acid 2 fosfogliceric.

VIII. Acidul 2 fosfogliceric elimina o molecula de apa sI rezulta acidul 2 fosfoenolpiruvic nestabil ce cuprinde o legatura macroergica.

IX. Acidul enolpiruvic trece in acid cetopiruvic.

X. Rezulta acid piruvic care se transforma in alti compusi.

Etapele I,III sI X sunt ireversibile. La unele organisme se formeaza acid lactic.

Degradarea anaeroba se petrece la coacerea fructelor ca urmare a insuficientei oxigenului. Din acidul piruvic rezultat din glicoliza, prin transformari anaerobe se acumuleaza alcool etilic : pere, portocale, mere, prune, pepeni. Din glucoza, prin degradare anaeroba, se pot forma si alti compusi.

Bilant energetic:

Prin degradarea glucozei rezulta doua molecule ATP/mol

Prin degradarea amidonului rezulta trei molecule ATP/mol.

Viteza de reactie este functie de concentratia fosfofructokinazei.

Rolul fiziologic al glicolizei este foarte important deoarece pune la dispozitia tesuturilor energia necesara proceselor fiziologice cand acestea nu au la dispozitie oxigen. Prin degradarea anaeroba trebuie sa se consume o cantitate mult mai mare de glucide pentru obtinerea aceleiasi cantitati de energie.

Plantele superioare supravietuiesc in conditii de anaerobioza, dar formarea alcoolului etilic intoxica celulele care mor.

Catabolismul aerob al glucidelor

Consta in descompunerea totala a glucidelor de rezerva (amidon, glucoza) sub actiunea oxigenului din aer, cu formare de CO₂, H₂O , (ATP) sI energie calorica.

Catabolismul aerob al glucidelor se desfasoara in doua etape:

transformarea in acid piruvic;

oxidarea acidului piruvic pana la CO₂, H₂O si ATP, proces care se numeste ciclul lui Krebs sau ciclul respirator sau ciclul acizilor tricarboxilici deoarece apar intermediar acizi tricarboxilici.

Respiratie

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ 6CO₂ + 6H₂O - 686 Kcal

Fotosinteza

Catabolismul aerob al glucidelor este un proces invers ciclului fotosintetic. Energia care se degaja provine din energia acumulata in substante prin sinteza. Din energia eliberata numai 4o-5o% este reutilizata in procese de biosinteza.

Prin respiratie se intelege deci totalitatea proceselor biochimice care transforma un compus organic intr-unul mai simplu, cu eliberare de energie chimica.

Ciclul lui Krebs este prezent in toate tesuturile organismelor vii si este un proces biochimic fundamental. In cadrul acestui proces se degaja o mare cantitate de energie, in mod treptat transformarile au ca substrat glucide, lipide, protide, acizi organici si se petrec in prezenta unor enzime specifice ; ciclul lui Krebs reprezinta o succesiune de procese de oxido-reducere, decarboxilare, fosforilare, hidratare.

Ciclul lui Krebs se desfasoara in 10 faze :

I.           Decarboxilarea oxidativa a acidului piruvic cu formare de acetil coenzima A, in prezenta de TPP, NAD⁺, HSCoA , Mg²⁺.

II.        Acetilcoenzima A cu acidul oxalilacetic formeaza acidul citric care este prima substanta din cadrul acizilor tricarboxilici, in prezenta de citrogenaza.

III.     Acidul citric pierde o molecula de apa si formeaza acid cisacontic.

IV.     Acidul cisacontic se transforma in acid izocitric.

V.        Acidul izocitric, prin dehidrogenare, in prezenta de NADP⁺, formeaza acid oxalil succinic.

VI.     Acidul oxalil succinic se trtansforma in acid cetoglutaric.

VII.          Din acid cetoglutaric se formeaza succinil coenzima A care cu GTP si acid fosforic da acid succinic si GDP, in prezenta de TPP, HSCoA, Mg²⁺, NAD⁺.

VIII.       Acidul succinic se dehidrogeneaza sub actiunea succindehidrogenazei si se transforma in acid fumaric.

IX.     Din acid fumaric, in prezenta de fumaraza, se formeaza acidul Lmalic

X.        Acidul L malic, prin dehidrogenare in prezenta de NAD⁺ formeaza acid oxalil acetic care inchide ciclul lui Krebs, dar il poate redeschide prin combinare cu acetil coenzima A.

Rezulta CO₂ sI H₂O prin decarboxilarea acidului piruvic, a acidului oxalil succinic sI a acidului cetoglutaric. Hidrogenul rezulta din dehidrogenarea acizilor izocitric, succinic, Lmalic. Hidrogenul este activat prin intermediul unor enzime, reactioneaza cu oxigenul activat sI rezulta apa.

Ciclul lui Krebs are o actiune amfibolica adica o parte anabolica sI o parte catabolica deoarece unii produsI participa la biosinteza.

Bilant energetic

Oxidarea NADH+H+ elibereaza o cantitate de energie echivalenta cu 3ATP sI oxidarea FADH2 - 2ATP.

Rezulta ca dintr-un mol de acid piruvic se elibereaza o cantitate de energie echivalenta cu 12ATP.

Importanta ciclului Krebs

Formarea altor componente organice : aminoacizi, baze azotate ;

Contribuie la biosinteza apei;

Acetil coenzima A participa la biosinteza acizilor grasi ;

Elibereaza energie.

Ciclul pentozofosfatilor reprezinta o cale secundara de metabolizare a glucidelor si are urmatoarele faze :

I.           Esterul glucozo 6 fosforic se transforma in acid 6 fosfogluconic sI NADH+ H⁺   

II. Acidul 6 fosfogluconic se transforma in acid 3 cetofosfogluconic apoi , in prezenta de TPP sI Mn²⁺ rezulta esterul ribulozo - 5 fosforic si CO₂ care trece in ester xilulozo 5 fosforic in prezenta de epimeraza apoi in ester ribozo 5 fosforic, in ester fructozo 6 fosforic, in ester glucozo 6 fosforic sI se inchide ciclul.

1 mol glucoza = 36 ATP

Degradari fermentative

Repreazinta procesele de degradare a substantelor organice sub influenta microorganismelor. Ele au importanta teoretica sI practica deoarece contribuie la circuitul elementelor in natura sI la baza obtinerii unor produse alimentare, furaje insilozate.

Monozaharidele constituie mediile cele mai bune pentru fermentatie.

Fermentatiile anaerobe sunt : fermentatia alcoolica, fermentatia lactica, fermenttia propionica, fermentatia butilica, fermentatia celulozei etc.

Fermentatiile aerobe sunt : fermentatia acetica, fermentatia succinica, fermentatia malica, fermentatia oxalica etc.