ciclo de krebs

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Cicl� d� kre��
Introdução
⤷ Para a maioria das células eucarióticas e muitas
bactérias, que vivem em condições aeróbias e
oxidam os combustíveis orgânicos a dióxido de
carbono e água, a glicólise é apenas a primeira
etapa para a oxidação completa da glicose.
⤷ Em vez de ser reduzido a lactato, etanol ou
algum outro produto da fermentação, o piruvato
produzido pela glicólise é posteriormente oxidado a
H2O e CO2.
⤷ Essa fase aeróbia do catabolismo é chamada de
respiração.
● composta por 5 cofatores e 3 enzimas
❧ A respiração celular acontece em três estágios
principais:
 No primeiro, moléculas combustíveis orgânicas –
glicose, ácidos graxos e alguns aminoácidos – são
oxidadas para produzirem fragmentos de dois
carbonos, na forma do grupo acetil da
acetil-coenzima A (acetil-CoA).
↬ a oxidação de carboidratos, lipídios e
aminoácidos, produz um metabólito comum,
acetil-coenzima A
 No segundo estágio, os grupos acetil entram no
ciclo do ácido cítrico, que os oxida
enzimaticamente a CO2; a energia liberada é
conservada nos transportadores de elétrons
reduzidos NADH e FADH2.
 No terceiro estágio da respiração, estas
coenzimas reduzidas são oxidadas, doando
prótons (H+) e elétrons. Os elétrons são
transferidos ao O2 – o aceptor final de elétrons –
por meio de uma cadeia de moléculas
transportadoras de elétrons, conhecida como
cadeia respiratória.
No curso da transferência de elétrons, a grande
quantidade de energia liberada é conservada na
forma de ATP, por um processo chamado de
fosforilação oxidativa.
⤷ Catabolismo de proteínas, gorduras e
carboidratos durante os três estágios da respiração
celular.
- Estágio 1: a oxidação de ácidos graxos,
glicose e alguns aminoácidos gera
acetil-CoA.
- Estágio 2: a oxidação dos grupos acetil no
ciclo do ácido cítrico inclui quatro etapas
nas quais os elétrons são removidos.
- Estágio 3: os elétrons carreados por NADH
e FADH2 convergem para uma cadeia de
transportadores de elétrons mitocondrial
(ou, em bactérias, ligados à membrana
plasmática) – a cadeia respiratória –
reduzindo, no final, O2 a H2O.
- Este fluxo de elétrons impele a produção de
ATP.
O piruvato é oxidado a acetil-CoA e CO2
A reação geral catalisada pelo complexo da
piruvato-desidrogenase é uma descarboxilação
oxidativa, um processo de oxidação irreversível
no qual o grupo carboxil é removido do piruvato na
forma de uma molécula de CO2, e os dois
carbonos remanescentes são convertidos ao grupo
acetil da acetil-CoA.
↬ tirosina, lipoato, FAD, NAD, coenzima-A
cofatores enzimáticos
O complexo da piruvato-desidrogenase requer
cinco coenzimas
● A combinação de desidrogenação e
descarboxilação do piruvato ao grupo acetil
da acetil-CoA requer:
- A ação sequencial de três enzimas diferentes;
- E cinco coenzimas diferentes ou grupos
prostéticos:
↬ pirofosfato de tiamina (TPP, de thiamine
pyrophosphate)
↬ dinucleotídeo de flavina-adenina (FAD, de flavin
adenine dinucleotide)
↬ coenzima A (CoA, algumas vezes denominada
CoA-S (transportador)
↬ dinucleotídeo de nicotinamida-adenina (NAD, de
nicotinamide adenine dinucleotide)
↬ lipoato
- Quatro vitaminas diferentes essenciais à
nutrição humana são componentes vitais
desse sistema (complexo B): tiamina (no TPP)
vitamina B1, riboflavina (no FAD)vitamina B2,
niacina (no NAD) VITAMINA B3 e pantotenato
(na CoA) vitamina B5.
Coenzimas
1. A Tiamina pirofosfato é o cofator essencial
para o funcionamento do complexo Piruvato
desidrogenase (porção E1).
2. O NAD é constituído de 2 nucleotídeos
unidos por uma ligação fosfoanidro;
- A vitamina Niacina (B3) é a fonte da porção
nicotinamida.
- A redução do NAD+ converte o anel
benzenóico da nicotinamida (com carga
positiva no N) na forma quinoide (N sem
carga).
- NAD+ geralmente atua em oxidações – como
parte de uma reação catabólica.
- São conhecidas mais de 200 enzimas que
catalisam reações em que NAD+ recebem um
íon hidreto de um substrato reduzido
A deficiência de niacina na dieta, a forma
vitamínica de NAD e NADP, causa pelagra
- As vitaminas são importantes cofatores
enzimáticos
- Os anéis pirimidínicos do NAD+ são derivados
da Niacina (Ácido Nicotínico ou Vit.B3).
- A deficiência de Niacina causa uma patologia
grave chamada de pelagra (pele áspera, em
italiano)
- Caracterizada pelos “3D”: dermatite, diarreia e
demência
- Em 1920, Joseph Goldberger demonstrou que
a pelagra é causada por uma deficiência na
dieta.
- Em 1937, Frank Strong, D. Wayne Woolley e
Conrad Elvehjem identificaram a niacina como
o agente curativo para a língua negra.
- A suplementação da dieta humana com esse
produto erradicou a pelagra nas populações
do mundo desenvolvido, com uma exceção
significativa das pessoas que sofrem de
alcoolismo.
↬ o alcool é convertido em etanolase, e o grupo
acetil no ciclo de krebs produz ATP porém em
menor quantidade, logo a pessoa consume caloria
vazia, possui a caloria não tem nutrientes que
ajudam o organismo
- Nesses indivíduos, a absorção intestinal de
niacina é muito reduzida, e as necessidades
calóricas com frequência são supridas pelo
álcool contido nas bebidas destiladas,
praticamente destituídas de vitaminas,
inclusive niacina.
- pessoas obesas também adquirem pelagra,
devido ao consumo de fast food, que tem alta
taxa calórica porém menor taxa de nutrientes.
- A pelagra está associada à pobreza.
- O FAD (flavina adenina dinucleotideo) e o
FMN (mononucleotideo de flavina) são
nucleotídeos derivados da riboflavina (B2);
- A estrutura de anéis fusionados dos
nucleotídeos de flavina (anel de isoaloxazina)
sofre redução, recebendo um ou dois elétrons
na forma de um ou dois átomos de hidrogênio
de um substrato reduzido.
- A coenzima está associada fortemente a uma
diversidade de enzimas e proteínas
(flavoproteínas)
- A coenzima A tem um grupo tiol reativo (¬SH)
que é crucial para a função da CoA como
transportador de acilas em diferentes reações
metabólicas.
- Grupos acil são covalentemente ligados ao
grupo tiol, formando tioésteres.
- Os tioésteres têm um alto potencial para a
transferência do grupo acil e podem doar estes
grupos a diversas moléculas aceptoras.
Cofatores
- O lipoato tem dois grupos tiol que podem ser
reversivelmente oxidados por uma ligação
dissulfeto (-S-S-), similar àquela entre dois
resíduos de Cys em uma proteína.
Atua como transportador de elétrons e de acilas
● o lipoato ligado ao resíduo de lisina da E2,
forma um braço comprido e muito flexível
que transfere grupos acetil de E1 para E2 e
elétrons de E1 e E2 para E3;
O complexo da piruvato-desidrogenase
consiste em três enzimas distintas
O complexo da PDH contém três enzimas:
E1: Piruvato desidrogenase (TPP)
E2: Diidrolipoil-transacetilase (lipoato e CoA)
E3: Diidrolipoil-desidrogenase (FAD e NAD)
- Cada uma está presente em múltiplas cópias
- Na canalização do substrato, o intermediário
nunca deixa a superfície da enzima
Deficiência de Tiamina (B1) promove Beriberi
Animais com deficiência de tiamina são incapazes
de oxidar o piruvato normalmente. Isso é
especialmente importante para o cérebro, que
costuma obter toda sua energia por meio da
oxidação aeróbia da glicose, em uma via que
necessariamente inclui a oxidação do piruvato.
O beri-béri, doença resultante da deficiência de
tiamina, caracteriza-se pela perda da função
neural.
Essa doença ocorre principalmente em populações
cuja dieta consiste basicamente em arroz branco
(polido), que carece da casca onde a maioria da
tiamina do arroz é encontrada.
Pessoas que consomem habitualmente grandes
quantidades de álcool também podem desenvolver
deficiência de tiamina, pois a maior parte da dieta
ingerida consiste nas “calorias vazias”, sem
vitaminas, das bebidas destiladas.
Um nível de piruvato sanguíneo elevado
frequentemente é um indicativo de defeitos na
oxidação do piruvato devido a uma destas causas
Introdução do ciclo de krebs
⤷ O Ciclo de Krebs, também conhecido como
Ciclo dos Ácidos Tricarboxílicos e Ciclo do Ácido
Cítrico, refere-se a uma série de reações anfibólica
(anabólica e catabólica), com objetivo de produzir
energia paraas células. Essa é uma das três
etapas do processo de respiração celular.
⤷ O processo ocorre na matriz mitocondrial ou no
citoplasma das bactérias.
⤷ O acetil-CoA, produzido nas etapas de oxidação
de moléculas orgânicas, é completamente oxidado
a gás carbônico.
⤷ A energia das reações de oxidação é
armazenada em coenzimas (NADH e FADH2).
O ciclo do ácido cítrico tem oito etapas
1 - Formação do citrato.
⤷ A primeira reação do ciclo é a condensação de
acetil-CoA e oxaloacetato para a formação do
citrato, catalisada pela citrato-sintase:
↬ Condensação de Claisen: grupo metil da
acetil-CoA convertido a metileno no citrato.
● ciclo do ácido tricarboxílico
2 - Formação de isocitrato via cis-aconitato.
⤷ A enzima aconitase (aconitato-hidratase)
catalisa a transformação reversível do citrato a
isocitrato, pela formação intermediária do ácido
tricarboxílico cis-aconitato, o qual normalmente não
se dissocia
do sítio ativo.
⤷ A alconitase pode promover a adição reversível
de H2O à ligação dupla do cis-alconitato ligado a
enzima por duas maneiras diferentes, uma levando
a citrato e a outra a isocitrato.
↬ Desidratação/reidratação: grupo —OH do citrato
reposicionado no isocitrato preparando para a
descarboxilação da próxima etapa.
3 - Oxidação do isocitrato a α-cetoglutarato e CO2.
⤷ Na próxima etapa, a isocitrato-desidrogenase
catalisa a descarboxilação oxidativa do citrato para
formar α-cetoglutarato.
⤷ O Mn2+ presente no sítio ativo interage com o
grupo carbonil do oxalosuccinato intermediário,
que é formado transitoriamente, mas só deixa o
sítio ativo quando a descarboxilação o converte em
α-cetoglutarato. O Mn2+ também estabiliza o enol
formado transitoriamente por descarboxilação.
⤷ A enzima requer NAD+ como aceptor de
elétrons.
↬ Descarboxilação oxidativa: grupo —OH oxidado a carbonil, o que, por sua vez, facilita a descarboxilação
por meio da estabilização do carbânio formado no carbono adjacente.
4 - Oxidação do α-cetoglutarato a succinil-CoA e
CO2.
⤷ Essa etapa é outra descarboxilação oxidativa, na
qual o α-cetoglutarato é convertido a succinil-CoA
e CO2 pela ação do complexo da
α-cetoglutarato-desidrogenase;
⤷ NAD+ é o aceptor de elétrons e CoA é o
transportador do grupo succinil. A energia da
oxidação do α-cetoglutarato é conservada pela
formação da ligação tioéster da succinil-CoA:
↬ Descarboxilação oxidativa: mecanismo similar a
piruvato-desidrogenase; dependente do carbonil no
carbono adjacente.
⤷ O complexo α-cetoglutarato-desidrogenase é
bastante semelhante ao complexo da PDH em
estrutura e função.
⤷ O complexo α-cetoglutarato-desidrogenase
incorpora três enzimas homólogas às E1, E2 e
E3 do complexo da PDH, e também contém TPP e
lipoato ligado à enzima, FAD, NAD e coenzima A.
⤷ Embora os componentes E1 dos dois complexos
sejam estruturalmente similares, suas sequências
de aminoácidos diferem e, naturalmente, eles
apresentam especificidades de
ligação diferentes: E1 do complexo da PDH liga-se
ao piruvato, e E1 do complexo da
α-cetoglutarato-desidrogenase liga-se ao
α-cetoglutarato.
⤷ Os componentes E2 dos dois complexos
também são muito similares, ambos contendo lipoil
ligado covalentemente. As subunidades E3 são
idênticas nos dois complexos enzimáticos.
⤷ Esse é um exemplo claro de evolução
divergente, na qual os genes que codificam para
uma enzima com uma especificidade de substrato
originam, durante a evolução, enzimas
proximamente relacionadas com especificidades
de substrato diferentes, mas com o mesmo
mecanismo enzimático.
5 - Conversão de succinil-CoA a succinato.
⤷ A succinil-CoA, como a acetil-CoA, tem uma
ligação tioéster com uma energia livre padrão de
hidrólise grande e negativa (ΔG’°~-36 kJ/mol).
⤷ Na próxima etapa do ciclo do ácido cítrico, a
energia liberada pelo rompimento dessa ligação é
utilizada para impelir a síntese de uma ligação
fosfoanidrido no GTP ou ATP, com um ΔG’°de
apenas -2,9 kJ/mol.
⤷ A reação é catalisada pela enzima
Acetil-CoA-sintase.
↬ Fosforilação ao nível do substrato: energia do
tioéster conservada na ligação fosfoanidrido do
GTP ou ATP.
⤷ Essa reação que poupa energia envolve uma
etapa intermediária, na qual a própria molécula da
enzima é fosforilada em um resíduo de His no sítio
ativo.
⤷ Esse grupo fosfato, que tem alto potencial de
transferência de grupo, é transferido ao ADP (ou
GDP) para a formação de ATP (ou GTP).
⤷ O GTP formado pela succinil-CoA-sintetase
pode doar o grupo fosfato terminal ao ADP para
formar ATP, em uma reação reversível catalisada
pela nucleosídeo-difosfato-cinase
6 - Oxidação do succinato a fumarato.
 O succinato formado a partir da succinil-CoA é
oxidado a fumarato pela flavoproteína
succinato-desidrogenase (flavoproteína, ligada
covalentemente ao FAD, logo essa enzima está
acoplada a cadeia transportadora de elétrons) :
↬ Desidrogenação: introdução da ligação dupla
inicia a sequência de oxidação do metileno.
⤷ Em eucariotos, a succinato-desidrogenase está
firmemente ligada à membrana mitocondrial
interna; em bactérias, está ligada à membrana
plasmática.
⤷ A enzima contém três grupos ferro-enxofre
diferentes e uma molécula de FAD covalentemente
ligada. Os elétrons do succinato passam pelo FAD
e pelos centros de ferro-enxofre antes de entrarem
na cadeia de transportadores de elétrons da
membrana mitocondrial interna (da membrana
plasmática em bactérias).
⤷ O fluxo dos elétrons do succinato ao longo
desses transportadores até o aceptor de elétrons
final, O2, é acoplado à síntese de
aproximadamente 1,5 molécula de ATP por par de
elétrons (fosforilação acoplada à respiração).
7 - Hidratação do fumarato a malato.
⤷ A hidratação reversível do fumarato a L-malato
é catalisada pela fumarase (formalmente,
fumarato-hidratase). O estado de transição dessa
reação é um carbânion.
↬ Hidratação: adição de água à ligação dupla
introduz o grupo —OH para a próxima etapa de
oxidação.
8 - Oxidação do malato a oxaloacetato.
⤷ Na última reação do ciclo do ácido cítrico, a
L-malato-desidrogenase
ligada ao NAD catalisa a oxidação de L-malato a
oxaloacetato.
↬ Desidrogenação: oxidação do —OH completa a
sequência de oxidação; carbonil gerado
posicionado para facilitar a condensação de
Claisen na próxima etapa.
Produtos de uma rodada do ciclo do ácido
cítrico
A cada rodada do ciclo do ácido cítrico, três
moléculas de NADH, uma de FADH2, uma de GTP
(ATP) e duas de CO2 são liberadas em reações de
descarboxilação oxidativa. Aqui, e em algumas das
figuras seguintes, todas as reações do ciclo estão
representadas como se elas ocorressem em
apenas uma direção, lembre-se, entretanto, que a
maioria das reações são reversíveis
↬➺⤷❧☘●