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Primeiro semestre ENZIMAS Mesmo nos organismos mais simples, seu genoma contém genes que codificam proteínas. Dessa forma, sem enzimas, não se teria nem as formas mais simples de vida. As enzimas são catalisadores proteicos que aumentam a velocidade da reação química e não são consumidas durante a reação que catalisam. Elas contêm uma região específica chamada de sítio ativo, o qual contém cadeias laterais de aminoácidos que criam uma superfície tridimensional complementar ao substrato, permitindo seu reconhecimento. O sítio ativo liga ao substrato (S), formando o complexo enzima-substrato (ES), que posteriormente é convertido no complexo enzima-produto (EP) que subsequentemente se dissocia em enzima (E) e produto (P). As enzimas são altamente específicas, interagindo com um ou com alguns poucos substratos e catalisando apenas um tipo de reação química. Existem 2 modelos que explicam isso Chave e fechadura: é possível ver que o sitio ativo da enzima é extremamente rígido e específico a aquele substrato. Encaixe Induzido: sítio ativo não é tão rígido, vai se moldar a 1, 2 ou 3 substratos que são muito parecidos para formar o complexo enzima-substratos. Trabalho das enzimas Elas têm a capacidade de reconhecer e se ligar especificamente a substratos e acelerar uma reação de transformação química naquela que será chamado de produtos no final da reação (e são liberados). 1º passo= Reconhecer substrato, formando complexo enzima-substrato; 2º passo= O substrato é transformado em produto por reação de quebra; 3º passo= Por fim ocorre liberação de produto, enzima está pronta para participar de uma nova reação de aceleração. EX: sacarase reconhece sacarose, forma o complexo enzima-substrato. Ocorre a quebra da sacarose (glicose e frutose que estavam unidas). Depois o substrato é liberado e enzima pode fazer outro processo. Existem 6 grandes classes de enzimas: 1. Oxireductases: promove reação de oxidação e redução; 2. Transferases: transferem grupamentos químicos de um doador para um aceptor; 3. Hydrolases: fazem reação de quebra que envolve moléculas de água; 4. Lysases: reações de quebra sem envolvimento de moléculas de água; 5. Isomerases: promovem a isomerização, produto formado é isômero do substrato; 6. Ligases: fazem a ligação de dois ou mais substratos para formar um produto. Cofatores: Algumas enzimas precisam de cofatores para agir. Quando o cofator é orgânico ele recebe o nome de coenzima. Quando enzima precisa de cofator e não está associada a ele, ela não funciona e é chamada de apoenzima Funcionamento das enzimas Praticamente todas as reações têm uma barreira de energia separando reatantes de produtos. Essa barreira, a energia livre de ativação, é a diferença entre a energia dos reatantes e aquela de um intermediário de alta energia, precisa atingir para que ocorra a formação do produto. A reação catalisada por uma enzima precisa de uma energia de ativação muito menor para ocorrer, a reação é sempre muito mais rápida. Fatores que alteram a velocidade de uma reação enzimática As diferentes enzimas mostram diferentes respostas as alterações de: • PH (enzima tem ph ótimo de funcionamento); • Temperatura (aumento de temperatura aumenta energia cinética, quando se atinge temperatura ótima, temperaturas além dela desnaturam a enzima; • Concentração.: a velocidade de uma reação corresponde ao número de moléculas de substrato que são convertidas em produto por unidade de tempo. Concentração A velocidade de uma reação catalisada aumenta conforme o aumento da concentração de substrato até a velocidade máxima ser atingida. A obtenção de um platô de velocidade da reação em altas concentrações de substrato reflete a saturação da enzima (enzimas estão produzindo quantidades máximas de substrato naquelas condições). A maioria das enzimas mostra uma cinética de Michaelis- Menten, onde a curva de velocidade de reação inicial X concentração de substrato possui uma curva hiperbólica (existe uma equação para calculá-la, a equação de Michaelis-Menten). Entretanto, as enzimas alostéricas (que tem comportamento diferente) apresentam uma curva sigmoide. Constantes cinéticas: • KM = constante de Michaelis, numericamente igual a concentração do substrato que gera a velocidade máxima sobre dois e não varia de acordo com a concentração da enzima. Ela reflete a afinidade de uma enzima pelo substrato. Um dos seus problemas é que fica muito difícil de estimar qual é o primeiro ponto que atingiu a velocidade máxima, vai ser sempre uma velocidade máxima aparente, KM vai ser aparente, não tem precisão absoluta. Equação de Lineaweaver-Burk Para resolver problema, criou-se a equação de Lineaweaver-Burk, o gráfico dos duplo recíprocos. Consiste em pegar tudo que estava no denominador e passar para o numerador (e vice-versa) da equação de Michaelis-Menten, o que vai dar gráfico muito mais precisão de predição de velocidade e de KM. Quando a reta passar pelo 1/velocidade máxima, esse momento de intercepção é a concentração que gera a velocidade máxima. Cinética de uma enzima alostérica São sempre constituídas de múltiplas subunidades, cada uma com seus centros ativos. A ligação de um substrato a um centro ativo pode afetar a ligação de outro substrato a outro centro ativo de forma cooperativa, resultando em uma curva sigmoide para descrever a concentração do substrato. Regulação da atividade metabólica Via metabólica tem substrato inicial que vai ser convertido em produto final. Enzima que vai ser regulada, a chave, está na forma ativa quando fosforilada, inativa defosforilada. Na medida que existir necessidade celular do produto final existir, essa enzima inativa vai ter que se tornar ativa para via metabólica acontecer. Além disso essa enzima precisa de coenzima, um cofator orgânico, para que ela funcione. Gene precisa codificar pra essa enzima para que quando for expressada esteja na forma ativa que recebe na fosforilação por ação de uma quinase e tem que estar na presença da coenzima. Para regular a atividade das enzimas, se pode controlar a disponibilidade de enzimas ou controlar a atividade enzimática. A atividade de uma enzima pode ser regulada, ou seja, ativadas ou inibidas, regulando a velocidade de formação do produto para responder as necessidades celulares naquele momento, as quais vão mudando com o passar do tempo. Existem 2 tipos de compostos diferentes dos substratos que vão atuar alterando a velocidade de uma reação catalisada por uma enzima: Ativadores: aumentam a velocidade da reação. Inibidores: diminuem a velocidade da reação. Inibição Ela pode ser: • Irreversível: não é usada na indústria farmacêutica pois enzima vai ser irreversivelmente inibida porque a velocidade de dissociação do complexo enzima-inibidor é muito alta; • Reversível: dissociação do complexo enzima- inibidor bem mais rápida. Nessa, a enzima pode se ligar ao substrato formando o complexo enzima-substrato ou ao inibidor, formando complexo inativo. Inibição reversível Existem 3 tipos de inibição reversível: Inibição competitiva: Existe uma equação para descrever o comportamento desses tipos de inibidores (tabela com características do que acontece e o gráfico do duplo recíproco). Substrato e inibidor têm que ter estrutura parecida a ponto de enzima achar que está se ligando ao substrato quando estiver se ligando ao inibidor. A presença do inibidor que compete com o substrato faz com que seja necessária uma quantidade maior de substrato para gerar a velocidade máxima/2. Km aumenta, mas a velocidade máxima não é alterada. Inibição não competitiva: Também tem sua própria equação, características, gráfico. Enzima se liga ao substrato, formando o complexo ES, mas tem 2 caminhos possíveis: formando o produto ou, dependendo do inibidor, a formação de umcomplexo enzima- substrato-inibidor (não formando produto). Outra possibilidade é o inibidor se ligar antes do substrato formando o complexo enzima-inibidor, podendo ou não se ligar ao substrato posteriormente. As características dessa inibição são: Km não é alterado e a velocidade máxima diminui. Inibição incompetitiva/acompetitiva: Enzima reconhece substrato formando o complexo ES que pode gerar produto. Na presença desse inibidor, ele se liga ao complexo formando o complexo enzima-substrato- inibidor. Ocorre uma diminuição do Km e da velocidade máxima. O valor de Km diminui porque o inibidor estabiliza o complexo ES, tornando mais difícil sua dissociação ou a formação de produto. Controle da disponibilidade de enzimas e atividade enzimática O controle da quantidade de determinada enzima em uma célula se dá tanto pela sua taxa de síntese como taxa de degradação da expressão gênica, da estabilidade do RNA mensageiro, da degradação de proteínas, etc. Controle da atividade enzimática: a atividade enzimática pode ser diretamente regulada por meio de alterações conformacionais ou estruturais. A velocidade de uma reação enzimática depende da concentração do complexo ES, concentração do catalisador (transcrição, velocidade de degradação), eficiência do catalisador (regulação alostérica, modificação covalente, forforilação, metilação, adenilação, acetilação) e da afinidade da ligação do substrato, de modo que a atividade enzimática pode ser controlada a partir da variação da afinidade da enzima pelo seu substrato. De duas formas diferentes: enzimas alostéricas ou por modificação covalente. Etapas de controle: Enzimas alostéricas: vai ter curva sigmoide porque ela é constituída por diferentes proteínas oligoméricas. Ativador faz com que precise menor concentração de substrato para atingir VM/2, enquanto o inibidor faz com que precise concentração maior do substrato para atingir VM/2 . Regulação alostérica: Uma proteína alostérica é um oligômero de protômeros que são simetricamente relacionados. Cada protômero pode existir em pelo menos 2 estados conformacionais designados: T e R. Esses estados encontram-se em equilíbrio tanto para os oligômeros associados quanto para os não associados ao ligante. Somente a mudança conformacional altera a afinidade do protômero pelo ligante. A simetria molecular da proteína é conservada durante essa mudança conformacional (estado ativo e inativo). Os protômeros devem mudar suas conformações de maneira simultânea: não há oligômeros que possuam protômeros nos estados E e T simultaneamente em função da presença ou ausência do inibidor. Retroinibição por feedback: Se produto final começa a acumular, ele regula a velocidade de sua própria síntese para atender as necessidades celulares. No momento em que ele acumula, se liga em uma das enzimas que faz sua própria síntese e regula a velocidade. Ex: ATCase (alostérica) d coli é inibida heterotropicamente pela cidina trifosfato, um nucleotídeo pirimídico. Ela é ativada pela adenosina trifosfato, nucleotídeo purínico. A rápida biossíntese de ácidos nucleicos diminui o pool de CTP, esse efetor se dissocia da enzima ATPCase segundo o princípio de ação das massas, resultando na desinibição da enzima e aumentando a velocidade de síntese de CTP. Se a velocidade de síntese de CTP sobrepula a sua velocidade de consumo, o excesso de CTP inibe a ATCase que resulta na inibição da síntese de CTP. Modificação covalente: Adições de grupos químicos que fazem a modificação covalente, mais frequentemente pela adição ou remoção de grupos fosfatos de resíduos específicos de serinas, treoninas ou tirosinas na enzima. A fosforilação é reconhecida como a mais importante das modificações covalentes que regulam processos celulares. Dependendo da proteína, ela pode estar ativa quando fosforilada e desfosforilada em outros. Na fosforliação tem sempre quinase, proteína que vai ser fosforilada por adição de grupo fosfato (que tem que poder ser removido), e fosfatase: que remove o grupo. Introdução ao metabolismo É uma atividade celular altamente dirigida e coordenada, na qual cooperam diversos sistemas multienzimáticos. Funções do Metabolismo • Obtenção de energia química do sol (fotossíntese = organismos fototróficos) ou pela oxidação de nutrientes (organismos quimiotróficos) gerados pelos fototróficos; • Conversão das moléculas dos nutrientes e da própria célula em precursores das macromoléculas, quando come carboidrato, ele é quebrado para depois ser ressintetizado nas macromoléculas; • Polimerização dos precursores (ácidos nucleicos, gorduras...) em macromoléculas; • Síntese e degradação das biomoléculas de acordo com a necessidade celular. Três propósitos principais para o aporte contínuo de energia (vias metabólicas) pelos organismos vivos: • Trabalho mec nico na contração muscular e movimentos celulares (migração), • Transporte ativo (transportadores) de mol culas e de ons, • Sntese de macromol culas e de outras biomol culas a partir de precursores simples. Vias metabólicas: Cada uma das etapas consecutivas em uma via metabólica produz uma pequena alteração química específica (remoção, adição ou transferência de um grupo funcional). O precursor é convertido em um produto por meio de uma série de intermediários químicos: os metabólitos. O termo metabolismo (ou metabolismo intermediário) frequentemente é aplicado às atividades combinadas de todas as vias metabólicas que interconvertem precursores, metabólitos e produtos de baixo peso molecular. Divisões metabólicas: • Anabolismo É a fase biossintética (sintetiza) e consumidora de energia do metabolismo (energia armazenada em forma de ATP). É divergente; • Catabolismo É a fase degradativa e liberadora de energia do metabolismo (quebra energia das ligações químicas). É convergente. • Redução = composto ganha elétrons • Oxidação = perdendo elétrons O ciclo de Krebs é um processo anfibiótico. 2 tipos de vias metabólicas Conversão de substrato inicial em que intermediários metabólicos vão levar a formação de um produto; Vias cíclicas: intermediários vão se interconvertendo e são continuamente ressintetizados, não são consumidos. Moléculas carregadoras: Estrutura do ATP: R1 e R2 podem ser qualquer cadeia de carbono, o que interessa é as ligações de anidrido que são extremamente lábeis, quando quebradas, liberam energia + base nitrogenada (é base porque tem pKa elevado) + pentose. No carbono 5’, está ligado o fosfato (alfa, beta, gama dependendo da quantidade de fosfatos, mono, di ou trifosfatado). Base mais pentose é nucleosídeo, base mais pentose mais fosfato é nucleotídeo. Transformação de energia Água quebra ligação química (hidrólise) e passa a fazer parte da reação química, libera energia. Transportadores de elétrons Substituição do grupamento por NH2 (nicotinamida). Logo o nucleotídeo se chama nicotinoamida amina dinucleotídeo. Quando carbono 4 recebe hidreto, ganha elétrons, está se reduzindo, logo forma o NAD. O NAD, depois de processos oxidativos, forma a coenzima NADH, a qual doa, reduzida, um par de elétrons para um conjunto especializado de transportadores. O FAD, depois de passar por processos oxidativos, forma a coenzima reduzida FADH2, a qual doa um par de elétrons para um conjunto especializado de transportadores. Coenzima A (Acetil-CoA) A fun o da Coenzima A (CoA, A para acetil CH3-CO) servir como transportador de grupamentos acila nas reações enzimáticas envolvidas na oxidação de ácidos graxos, na síntese de ácidos graxos, na oxidação do piruvato e nas acetilações biológicas. É ele que entra no Ciclo De Krebs. S-Adenosilmetionina • Função: fornecedor de grupos metil (CH3); • Adenina + uma pentose = nucleosídeo, por isso adenosil.; • Grupamento metil se liga ao carbono 5, servepara fornecer CH3 TERMODINÂMICA Termodin mica (Greek: thermo, heat + dynamis, power) a ci ncia do calor e temperatura e das leis que governam a conversão de calor em energia mecânica, elétrica, química ou outras formas. A Termodin mica uma ci ncia macrosc pica, que considera quantidades (nveis) de press o, temperatura e volume, não depende de um modelo. Diferentemente da Mec nica Qu ntica, a termodin mica n o baseada em um modelo molecular específico e, portanto, não é afetada pelas mudanças nos conceitos de átomos e moléculas. A termodin mica nos auxilia a prever qual a dire o e extens o das rea es qumicas, mas n o proporciona qualquer informa o sobre a velocidade de um determinado processo (no próximo segundo ou em 1 milhão de anos). Sendo G a variação de energia livre, essa pode ser utilizada para predizer o sentido de uma reação em condições de pressão e temperatura constantes. 1. Se G é negativo = há uma perda líquida de energia, a reação ocorre exatamente no sentido em que é descrita espontaneamente. A reação é definida como exergônica; 2. Se G é positivo = há ganho líquido de energia, a reação não anda espontaneamente. Alguma energia deve ser adicionada ao sistema para que a reação ande. Ela é dita como endergônica; 3. Se G é zero = os reatantes estão em equilíbrio. A variação de energia livre de reação depende da concentração do reatante e do produto. Equilíbrio diz que velocidade de formação é igual a de dissociação. A constante é calculada pela concentração de AB dividido pela concentração de A x a concentração de B. Legenda: • G = variação de energia livre; • R = a constante dos gases; • T é a temperatura absoluta (T absoluta é a temperatura ambiente +273 = T em Kelvin). Transformação Biológica de Energia A compara o das energias livres padr o para a hidrólise permite verificar quais os compostos com potenciais mais elevados de transfer ncia de grupos fosforila. Por exemplo, a fosfocreatina tem um potencial mais elevado de transferência de grupamento fosfato do que o ATP. Creatina fosfato é forma de armazenamento curto de energia. Um fato importante em termos termodin micos que a varia o global de energia livre para uma s rie de rea es acopladas igual ao somatório das variações de energia livre das etapas individuais. Uma reação termodinamicamente desfavorável pode ser impulsionada por uma termodinamicamente favorável que a ela esteja acoplada. Neste exemplo, as reações são acopladas pelo intermediário químico comum B. Assim, as vias metabólicas são formadas pelo acoplamento de reações catalisadas por enzimas, de modo que a energia livre global da via é negativa. Duas reações químicas possuem um intermediário comum quando ocorrem sequencialmente, ou seja, o produto da primeira reação é o substrato da segunda. Primeiro processo não é favorável pois sinal é positivo, então posso acrescentar um intermediário (serve como carreador de energia química entre reações) para conversão em D, aí se torna favorável. Resumidamente, o acoplamento energético é feito para que, a partir de intermediários comuns, tornamos reações não favoráveis em favoráveis. Reação espontânea Ex: reação A B Quando a reação chega ao equilíbrio, a variação de energia livre (G) é = 0. Portanto, onde as concentrações reais de A e B são iguais às concentrações de reatantes e produtos no equilíbrio, e sua razão, é igual a K. Transformação biológica de energia - ATP é o principal doador imediato de energia livre (no sentido do acoplamento energético) pois sua hidrólise é negativa nos sistemas biológicos, não sendo uma forma de armazenamento de energia a longo prazo (estamos constantemente convertendo-o em ADP). A quantidade total de ATP no organismo limitada (100g), mas a sua renovação é alta. Ser humano em repouso: consome cerca de 40 kg de ATP em 24 horas. Durante esfor o rigoroso: consumo de 0,5 kg ATP por minuto. Portanto, vital ter mecanismos de regenera o de ATP. A forma o de ATP uma das fun es básicas do catabolismo. • A forma o de ATP uma das fun es b sicas do catabolismo, temos que considerar o estado de oxidação do carbono. O carbono de mol culas energ ticas (e.g., glicose e lipdeos) oxidado a CO2 (maior grau de oxidação). Os el trons resultantes s o capturados e utilizados para regenerarem ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico (Pi). Quanto mais reduzido for o carbono no ponto de partida, mais energia livre ser liberada pela oxida o. Transformação Biológica de Energia Quanto mais reduzido for o carbono (sem O ligado) no ponto de partida, mais energia livre será liberada pela oxidação. Nos organismos aer bicos, o aceptor final de el trons na oxida o do carbono o O2 e o produto de oxida o CO2. Os lipdeos s o uma fonte de energia mais eficiente que os carboidratos porque os carbonos nos lipdeos s o mais reduzidos. Estágios do catabolismo A energia dos alimentos extrada em tr s est gios: Digestão: macromol culas s o quebradas em unidades menores. Unidades menores s o degradadas em unidades mais simples (a maioria transformada no grupamento acetil da acetil-CoA). Produ o de ATP pela oxida o completa do grupo acetil da acetilCoA e ação do NADH e NADPH. Aceptor final dos elétrons é o oxigênio, que vai ser convertido em água. Somos aeróbios por isso. Os processos metabólicos são regulados por três modos principais 1) Controle da quantidade de enzimas: depende das velocidades de síntese (transcrição e tradução) e degradação de enzimas. Controle da atividade enzimática: Controle alostérico: processo reversível que, geralmente, ocorre pela modulação (e.g., inibição) da reação química catalisada pela primeira enzima (marcapasso) de uma via metabólica cujo efetor é o produto final desta via (feedback inhibition). Modificação covalente reversível: exemplo, fosforilação e defosforilação. Hormônios: coordenam as inter-relações das vias metabólicas entre diferentes tecidos, muitas vezes por meio da regulação da modificação covalente reversível de enzimas-chave. Exemplo: epinefrina (adrenalina, hormônio) nos músculos deflagra uma cascata de transdução de sinal, resultando na fosforilação e ativação de enzimas da degradação do glicogênio em glicose que é utilizada para a produção de ATP (energia química) necessária para a contração muscular (energia mecânica). 3) Controle da acessibilidade de substratos: em eucariotos pela compartimentalização (segrega reações opostas). Exemplo: oxidação de ácidos graxos ocorre nas mitocôndrias enquanto que a síntese de ácidos graxos ocorre no citoplasma. Produção aeróbica de atp Quando se tem produção aeróbica de ATP, se pode dividir em 3 estágios. 3 Estágios Oxidação da acetil-coa O ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs), por si só, gera pouco ATP e não inclui oxigênio (O2) como reagente. O ciclo de Krebs remove elétrons da acetil-CoA que são utilizados na formação de NADH e FADH2 (formas reduzidas: carreadores de elétrons, transferem seus elétrons para cadeia). Tanto o NADH como o FADH2 é que serão oxidados por O2 na fosforilação oxidativa. NAD produzindo NADH, FAD formando FADH2, os quais vão entrar na fosforilação oxidativa. Cadeia Respiratória ou Cadeia Transportadora de Elétrons A cadeia respiratória consiste de uma série de proteínas que possuem grupos prostéticos firmemente ligados às suas estruturas. Estes grupos prostéticos são capazes de receber e doar elétrons (se oxidar/se reduzir), isto é, funcionam como pares conjugados de oxidação-redução ou pares redox. Moléculas ricas em energia, como a glicose, são metabolizadas por uma série de reações de oxidação, levando, por fim, à produção de dióxido de carbono e água (H2O). Os intermediários metabólicos dessas reações doam elétrons a coenzimas específicas – nicotinamida-adenina-dinucleotídeo(NAD+ formando as coenzimas reduzidas ricas em energia, NADH e FADH2) e flavina-adenina-dinucleotídeo (FAD) –.. Cada uma dessas coenzimas reduzidas, por sua vez, pode doar um par de elétrons a um grupo especializado de carreadores de elétrons, coletivamente denominados de cadeia transportadora de elétrons (CTE).. À medida que os elétrons fluem por meio da cadeia transportadora de elétrons, eles perdem muito de sua energia livre. Essa energia é utilizada para mover H+ através da membrana mitocondrial interna, criando um gradiente de H+ que possibilita a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico (Pi). O acoplamento entre a liberação de energia na cadeia transportadora de elétrons e a síntese de ATP é chamado fosforilação oxidativa. Esse processo funciona continuamente em todos os tecidos que contêm mitocôndrias. (Nota: a parte da energia livre liberada durante o transporte de elétrons e que não é captada para a síntese de ATP é utilizada para impulsionar outras reações, como o transporte de íons cálcio para dentro da mitocôndria e a produção de calor). ATP Um ser humano sedentário de 70 kg precisa de aproximadamente 2.000 kcal para 1 dia de atividade.. • São necessários 83 kg de ATP para atender a essa imensa demanda de energia; • Os seres humanos possuem apenas cerca de 250 g de ATP a qualquer momento; • A diferença entre o ATP que dispomos e o que necessitamos é compensada pela reciclagem de ADP em ATP; • Essa reciclagem ocorre primariamente por meio da fosforilação oxidativa (ADP em ATP e vice- versa); • Cada molécula de ATP é reciclada aproximadamente 300 vezes/dia. Mitocôndria Local onde ocorre o metabolismo oxidativo em eucariotos (piruvato desidrogenase, enzimas do ciclo de Krebs, enzimas da oxidação de ácidos graxos, e enzimas e proteínas redox do transporte de elétrons e fosforilação oxidativa). • A membrana externa é altamente permeável (contém porinas) e a membrana interna é altamente impermeável (é somente altamente permeável à O2, CO2 e H2O); • As proteínas envolvidas no transporte de elétrons e fosforilação oxidativa estão associadas à membrana interna da mitocôndria (assim como proteínas de transporte de ATP, ADP, piruvato Ca2+ e fosfato); • A matriz (gel-like) contem altas concentrações das enzimas solúveis do metabolismo oxidativo (e.g., do ciclo de Krebs) e substratos, cofatores nucleotídicos e íons inorgânicos. É a via final comum pela qual elétrons oriundos de diferentes combustíveis do organismo fluem para o oxigênio. O transporte de elétrons e a síntese de ATP pela fosforilação oxidativa ocorrem continuamente em todos os tecidos que contém mitocôndria. Membranas da mitocôndria: A mitocôndria contém uma membrana interna e uma externa, separadas pelo espaço intermembranas. Embora a membrana externa contenha canais especiais (formados pela proteína porina), que a tornam livremente permeável para a maioria dos íons e das moléculas pequenas, a membrana mitocondrial interna, por sua vez, é uma estrutura especializada impermeável à maioria dos íons pequenos (incluindo H+ ) e a moléculas pequenas, como ATP, ADP, piruvato e outros metabólitos importantes para a função mitocondrial. Mover íons ou moléculas através dessa membrana requer carreadores ou sistemas de transporte especializados. A membrana mitocondrial interna é excepcionalmente rica em proteínas, e mais de metade delas estão envolvidas de modo direto no transporte de elétrons e na fosforilação oxidativa. Ela também contém convoluções, chamadas de cristas, que aumentam enormemente sua superfície. Matriz mitocondrial: A solução semelhante a um gel da matriz (parte interna) mitocondrial é também rica em proteínas. Essas incluem as enzimas responsáveis pela oxidação do piruvato, dos aminoácidos, dos ácidos graxos (por oxidação) e aquelas do ciclo do ácido cítrico. As sínteses da glicose, da ureia e do heme ocorrem parcialmente na matriz mitocondrial. Além disso, a matriz contém NAD+ e FAD (as formas oxidadas das duas coenzimas necessárias como aceptoras de elétrons) e ADP e P, que são utilizados para produzir ATP. (Nota: a matriz também contém ácido desoxirribonucleico mitocondrial [DNAmt], ácido ribonucleico mitocondrial [RNAmt] e ribossomos.) Fluxo de elétrons O fluxo de elétrons ocorre em quatro grandes complexos proteicos que estão “imersos” na membrana mitocondrial interna e juntos são denominados de cadeia respiratória (pois entra oxigênio) ou cadeia de transporte de elétrons. • Três destes complexos utilizam a energia liberada pelo fluxo de elétrons para bombear prótons da matriz mitocondrial para o citoplasma (da mitocôndria); • Isto gera um gradiente de pH e um potencial elétrico transmembrana que gera a força próton-motriz; • Mitocôndria: oval de 2 M de comprimento e 0,5 M de diâmetro (tamanho de uma bactéria). DNA mitocondrial de humanos: 16.569 pb (codifica 13 proteínas da cadeia respiratória, RNA ribossomais e tRNAs para traduzir todos os códons. Muitas proteínas das mitocôndrias são codificadas pelo DNA nuclear (relação de simbiose). Organização da cadeia transportadora de elétrons A membrana mitocondrial interna contém quatro complexos proteicos separados, denominados Complexos I, II, III e IV, que constituem parte da CTE. Esses complexos aceitam ou doam elétrons, que são trocados com carreadores de elétrons relativamente móveis, a coenzima Q (CoQ) e o citocromo c. Cada carreador, na CTE, pode receber elétrons de um doador e, posteriormente, doá-los para o próximo aceptor na cadeia. Os elétrons combinam-se, no final, com O2 água. Essa necessidade de O2. dá ao processo de transporte de elétrons a denominação de cadeia respiratória, responsável pela maior parte da utilização de O2 no organismo. Reações da cadeia transportadora de elétrons Com a exceção da coenzima Q, que é uma quinona lipossolúvel, todos os membros da CTE são proteínas. Eles podem funcionar como enzimas, como é o caso de desidrogenases contendo flavina; podem conter ferro como parte de um centro ferro-enxofre (Fe-S), ou como parte do grupo prostético porfirina do heme, como ocorre com os citocromos; ou podem conter cobre (Cu), como no complexo citocromo a + a3. Formação de NADH: O NAD+ é reduzido a NADH por desidrogenases que removem dois átomos de hidrogênio de seus substratos. Ambos os elétrons, mas apenas um próton (ou seja., um íon hidreto :H–,), são transferidos ao NAD+, formando NADH mais um próton livre, H+. NADH-desidrogenase: A seguir, um H+ (próton) livre mais o íon hidreto carregado pelo NADH são transferidos para a NADH-desidroge-nase, um complexo proteico (Complexo I) embebido na membrana mitocondrial interna. O Complexo I possui uma molécula de flavina-- mononucleotídeo (FMN) fortemente ligada; FMN é uma coenzima estruturalmente relacionada ao FAD, que aceita os dois átomos de hidrogênio (2 elétrons + 2 H+), tornando-se FMNH2.. A NADH-desidrogenase também contém subunidades peptídicas com centros Fe-S. No Complexo I, os elétrons movem-se do NADH para o FMN e daí para o ferro nos centros Fe-S e, então, para a coenzima Q. Na medida em que os elétrons fluem, eles perdem energia. Essa energia é utilizada para bombear quatro H+ através da membrana mitocondrial interna, da matriz para o espaço intermembranas., que são utilizados para produzir ATP. Succinato-desidrogenase: No Complexo II, os elétrons da oxi-dação do succinato a fumarato, catalisada pela succinato-desidrogenase, movem-se da coenzima, FADH2, para uma proteína Fe-S, e então para a CoQ. (Nota: como não há grande variação de energia nesse processo, não há bombeamento de H+ no Complexo II.). Coenzima Q: A coenzima Q (CoQ) é um derivado de quinona, com uma cauda isoprenoide longa e hidrofóbica. Ela é produzida a partir de um intermediário da síntese do colesterol. (Nota: é também denominada ubiquinona, por sua ubiquidade nos sistemas biológicos.) A CoQ é umcarreador de elétrons móvel e pode aceitar elétrons da NADH-desidrogenase (Complexo I), da succinato-- desidrogenase (Complexo II) e de outras desidrogenases mitocondriais, como a glicerol-3-fosfato-desidrogenase e as acil-CoA-desidrogenases. A CoQ transfere elétrons para o Complexo III (citocromo bc1). Assim, uma função da CoQ é unir as desidrogenases contendo flavoproteínas aos citocromos. Citocromos Os demais membros da Cadeia Transportadora de Elétrons são proteínas chamadas citocromos. Cada um deles apresenta um grupo heme, constituído por um anel porfirina contendo um átomo de ferro. Ao contrário do que ocorre com os grupos heme da hemoglobina, o ferro dos citocromos é convertido reversivelmente de sua forma de íon férrico (Fe3+ para íon ferroso (Fe2+) como uma parte normal de sua função como um aceptor e doador de elétrons. Os elétrons são passados ao longo da cadeia, do citocromo bc1 para os citocromos a + a3 (Complexo III) para o citocromo c, e então ([Complexo IV]).. Na medida em que os elétrons fluem, quatro H+ são bombeados através da membrana mitocondrial interna no Complexo III e dois no Complexo IV. (Nota: o citocromo c está localizado no espaço intermembranas, associado fracamente com a face externa da membrana interna. Assim como no caso da CoQ, o citocromo c é um carreador móvel de elétrons.): Citocromo a + a3: Uma vez que este complexo de citocromos (Complexo IV) é o único carreador de elétrons no qual o núcleo heme tem um sítio de coordenação disponível que pode reagir diretamente com o O2, ele também é conhecido como citocromo c- oxidase. No Complexo IV, os elétrons transportados, o O2 e o H+ livres, são reunidos, e o O2 é reduzido a H2O. A citocromo c-oxidase contém átomos de cobre ligados, necessários para que essa complexa reação ocorra. Os elétrons movem-se do Cua para o citocromo a e dele para o citocromo a3 (em associação com o Cub) e daí para o O2. Inibidores de sítios específicos: inibidores de sítios específicos na cadeia transportadora de elétrons têm sido identificados.. Esses inibidores respiratórios previnem a passagem de elétrons, ligando-se a algum componente da cadeia e bloqueando a reação de oxidação/redução. Desse modo, todos os carreadores de elétrons antes do bloqueio estão completamente reduzidos, enquanto aqueles localizados após o bloqueio estão oxidados. Energia livre liberada durante o transporte de elétrons A energia livre liberada quando os elétrons fluem ao longo da CTE, de um doador de elétrons (agente redutor) para um aceptor de elétrons (agente oxidante), é utilizada para bombear H+ nos Complexos I, III e IV. (Nota: os elétrons podem ser transferidos para o NAD+ como íons hidreto; como átomos de hidrogênio para o FMN, a CoQ e o FAD; ou como elétrons para os citocromos.). Pares redox: A oxidação (perda de elétrons) de um composto é sempre acompanhada pela redução (ganho de elétrons) de uma segunda substância. Por exemplo a oxidação do NADH a NAD+ catalisada pela NADH- desidrogenase no Complexo I, acompanhada pela redução do grupo prostético dessa enzima, o FMN, a FMNH2. Tais reações redox podem ser escritas como a soma de duas hemirreações separadas, uma de oxidação e outra de redução NAD+ e NADH formam um par redox, assim como FMN e FMNH2. Os pares redox diferem em sua tendência de perder elétrons. Essa tendência é característica de cada par redox e pode ser expressa quantitativamente por uma constante, E0 (o potencial de redução padrão), com unidades em volts. Potencial de redução padrão: os potenciais de redução padrão (E0) para vários pares redox podem ser listados, desde o mais negativo até o mais positivo E0. Quanto mais negativo for o E0 de um par redox, maior será a tendência da forma redutora desse par em perder elétrons. Quanto mais positivo for o E0, maior a tendência da forma oxidante daquele par em aceitar elétrons. Desse modo, os elétrons fluirão do par com E0 mais negativo para aquele par com E0 mais positivo. Estágio 3: fosforilação oxidativa (formação de ATP) na cadeia de transporte de elétrons (cadeia respiratória) A oxidação das fontes energéticas e a fosforilação do ADP (formação de ATP) são acopladas por um gradiente de prótons através da membrana mitocondrial interna. • Coletivamente, a geração de elétrons com alto potencial de transferência pelo ciclo de Krebs, seu fluxo através da cadeia respiratória e a síntese associada de ATP é denominada respiração ou respiração celular; • Respiração: Um processo de geração de ATP no qual um composto inorgânico (como oxigênio molecular, O2) atua como último aceptor de elétrons. O doador de elétrons pode ser um composto orgânico como um composto inorgânico. A diferença entre respiração e fermentação é que, nessa última, o aceptor dos elétrons é um composto orgânico (com carbono). Prótons que estão na matriz vão ser bombeados para fora (espaço entra membrana externa e interna da mitocôndria). À medida que isso acontece, se consome oxigênio e vamos ter gradiente de prótons, potencial de membrana, elétrico. • A oxidação e a síntese de ATP são acopladas pelos fluxos de prótons transmembrana. Os elétrons fluem de NADH e FADH2 através de quatro complexos proteicos para reduzir oxigênio a água; • Três dos complexos bombeiam prótons oriundos da matriz mitocondrial para fora da matriz. Os prótons retornam à matriz por meio do fluxo através de outro complexo proteico, a ATP Sintase, que resulta na síntese de ATP. Potencial de transferência de elétrons Essa equação serve para definir se reação é ou não favorável. Se composto estiver perdendo elétrons, ele está se oxidando, eles vão pelo fio. Se ele puxa elétrons do hidrogênio dissolvido em água, composto em solução estaria se reduzindo. Se valor do delta G for positivo, significa que potencial de redução é favorável. Agente oxidante é quem reduz. O ciclo de Krebs remove elétrons da acetil-CoA que são utilizados na formação de NADH e FADH2 (formas reduzidas: carreadores de elétrons). E0’ (potencial de redução em Volts) com valor positivo: maior afinidade por elétrons do que H2 (definido como V=0 em físico- química e - 0,42 V em bioquímica), portanto agente oxidante (vai se reduzir = receptor de elétrons). Oxigênio tem potencial de redução positivo, ele capta elétrons de algum composto químico (o qual está se oxidando), logo ele é o Agente Oxidante. NADH vai perder 2 elétrons, os quais vão para cadeia, virando NAD. Como se pode quantificar a energia associada a um gradiente de prótons? A soma dos termos de concentração e carga elétrica é denominada potencial eletroquímico ou potencial de membrana: a mudança de um soluto sem carga elétrica do lado 1 (concentração c1) para o lado 2 (concentração c2) mais a mudança de um soluto com carga elétrica (cuja distribuição desigual através da membrana gera um potencial elétrico). O PH reflete a concentração de prótons. Esse valor de 21,8 kJ é o que está disponível para síntese de ATP (5,2 kcal por próton). Estágio 3: fosforilação oxidativa (formação de ATP) na cadeia de transporte de elétrons (cadeia respiratória) Onde está o potencial negativo, estão os que vão se oxidar, onde está positivo, os que reduzem. Na matriz, tem enzimas do ciclo de Krebs. Quando elétrons estão sendo transferidos, ocorre bombeamento de prótons da matriz para o espaço entre as membranas externa e interna. Se aumenta concentração de prótons, PH do espaço diminui (menor do que dentro da matriz), e esse gradiente que vai impulsionar a síntese de ATP pela ATPSintase. A fosforilação oxidativa pode ser dividida pela cadeia transportadora de elétron + síntese de ATP. A Ubiquinona (coenzima - Q) se reduz para Ubiquinol depois de receber o 2º elétron. Outro carreador de elétron é o citocromo C, uma proteína heme (anéis de porfirina com ferro ligado que muda seu estado de oxidação) solúvel. Complexo NADH-coenzimaQ oxidoredutase (Complexo I ou NADH desidrogenase) Centro da Flavina pode receber um elétron de cada vez. Tem parte embebida na matriz. Elétrons do NADH fluem para flavina, que vão para os clusters, que vão para coenzima Q. Complexo Succinato-Coenzima Q Redutase (Succinato-Desidrogenase ou Complexo II) FADH2 entra na cadeia de transporte de elétrons no complexo II. Única enzima do Ciclo de Krebs que está embebida na membrana interna da mitocôndria. Possui 4 subunidades, incluindo duas proteínas com grupos ferro/enxofre, e uma delas ligada ao FAD. Fluxo de elétrons: de FADH2 → centros Fe-S → Coenzima Q (ubiquinona) para formar a forma reduzida. Não bombeia prótons para fora da matriz mitocondrial (espaço intermembranas): menos ATP será formado quando comparado com NADH. Seus sítios de oxi-redução também estão voltados para a matriz mitocondrial. Coenzima Q-citocromo c oxidorredutase (ou complexo Citocromo bc1 ou Complexo III) Elétrons vem do 1, do 2 e vão para o 3, o qual está sendo reduzido. Citocromo C só consegue pegar um elétron de cada vez. Resultado é o bombeamento de prótons e transferência de elétrons. Citocromo c oxidase (Complexo IV) Alfas- hélices do Citocromo C oxidado estão embebidas. Enzima de 13 cadeias peptídicas, dois grupos prostéticos (heme a e heme a3 -CuB) embebidos na membrana, um grupo prostético CuA/CuA próximo ao espaço intermembrana (aceita elétrons do citocromo c). Os centros de cobre alternam-se entre a forma Cu+ reduzida (cuprosa) e a forma oxidada Cu2+ (cúprica) nos processos redox. CO(bb) representa um grupo carbonila do arcabouço peptídico. O heme a3 -CuB é o sítio de redução de oxigênio em água. Os elétrons doados pelo citocromo c são transportados através de átomos de cobre e ferro até o lado da matriz mitocondrial onde vão reduzir O2 em H2O. A demanda de oxigênio para essa reação é o que torna os organismos “aeróbicos”. Redução com 4 elétrons de uma molécula de O2 para produzir H2O. 4 Cit cred (FeII) + 8 H+ + O2 → 4 Cit cox (FeIII) + 2 H2O tiramos 8 prótons da matriz e jogamos 4 para fora. Esse processo é o que nos faz precisar de oxigênio. Asfixia é tu não ter oxigênio suficiente para ser o aceptor final de elétrons; ATP Sintase (Complexo V ou ATPase mitocondrial ou F1F0ATPase) Um processo desfavorável sendo acoplado para um favorável. Hipótese Quimiosmótica Explica como a energia gerada pelo transporte de elétrons através da Cadeia de Transporte de Elétrons (Cadeia Respiratória) é utilizada para produzir ATP a partir de ADP + Pi. • À medida que os elétrons são transferidos ao longo da cadeia do citocromo, a energia liberada é utilizada para “bombear” os hidrogênios (prótons; H+) liberados da NADH e da FADH2 do interior das mitocôndrias através da membrana mitocondrial interna; • Isso acarreta um acúmulo de H+ no espaço entre as membranas mitocondriais interna e externa: FORÇA PRÓTONMOTRIZ (gradiente químico refletido pelo PH + gradiente elétrico refletido pela diferença de voltagem). O acúmulo de H+ é uma fonte de energia potencial que pode ser capturada e utilizada para recombinar o Pi com ADP e formar ATP; • O objetivo da cadeia de transporte de elétrons é mover elétrons através de uma série de citocromos para fornecer energia que impulsione a produção de ATP nas mitocôndrias. A bomba de prótons. O transporte de elétrons está acoplado à fosforilação do ADP pelo “bombeamento” de prótons (H+) através da membrana mitocondrial interna. Esses prótons são bombeados da matriz para o espaço intermembranas pelos Complexos I, III e IV. Para cada par de elétrons transferido do NADH para o O2, 10 H+ são bombeados. Esse processo cria, por meio da membrana mitocondrial interna, um gradiente elétrico (com cargas mais positivas no lado externo da membrana do que no lado interno) e um gradiente (químico) de pH (o lado citosólico da membrana está em pH mais baixo do que o lado da matriz, como mostrado na Fig. 6.13). A energia (força próton-motriz) gerada por esses gradientes é suficiente para impulsionar a síntese de ATP. Desse modo, o gradiente de H+ funciona como o intermediário comum que acopla a oxidação à fosforilação; A ATP-sintase. A ATP-sintase é uma enzima composta por múltiplas subunidades ([Complexo V]), que sintetiza ATP usando a energia do gradiente de H+ de proteínas que contém um domínio (F0) que cruza a membrana mitocondrial interna, e um domínio extramembranoso (F1), que se projeta como uma esfera para dentro da matriz mitocondrial. Conforme propõe a hipótese quimiosmótica, após os H+ serem transferidos para o lado citosólico da membrana mitocondrial interna, eles retornam à matriz mitocondrial, passando por um canal de H+ no domínio F0. Isso força a rotação do anel c de F0, ao mesmo tempo em que os gradientes elétrico e de PH são dissipados. A rotação de F0 causa alterações conformacionais nas 3 subunidades beta de F1, permitindo que o ADP e Pi sejam ligados a esse domínio e que o ADP fosforilado produza ATP, que será liberado. Uma rotação completa do anel c produz três ATP. Acoplamento na fosforilação oxidativa. Nas mitocôndrias normais, a síntese de ATP está acoplada ao transporte de elétrons por meio do gradiente de H+. O aumento (ou a redução) de um desses processos tem o mesmo efeito sobre o outro. Por exemplo, a hidrólise de ATP a ADP e Pi, nas reações que requerem energia aumenta a disponibilidade de substratos para a ATP-sintase e, assim, aumenta o fluxo de H+ por meio da enzima. O transporte de elétrons e o bombeamento de H+ pela CTE aumentam, para manter o gradiente de H+ e possibilitar a síntese de ATP. Oligomicina. Esse fármaco se liga ao domínio Fo (daí a letra “o”) da ATP-sintase, fechando o canal de H+ e impedindo o retorno dos prótons à matriz mitocondrial, prevenindo, assim, a fosforilação de ADP em ATP. Uma vez que os gradientes de pH e elétrico não podem ser dissipados na presença desse inibidor da fosforilação, o transporte de elétrons cessa, devido à dificuldade de bombear mais prótons contra gradientes tão grandes. Assim, a respiração celular depende da capacidade de fosforilar ADP em ATP. Essa dependência, conhecida como controle respiratório, é consequência do forte acoplamento entre esses processos Proteínas desacopladoras. As proteínas desacopladoras (UCPs, do inglês uncoupling proteins) são proteínas encontradas na membrana mitocondrial interna de mamíferos, incluindo humanos. Essas proteínas formam canais que permitem que os prótons retornem à matriz mitocondrial sem que a energia seja capturada como ATP. A energia é liberada na forma de calor, e o processo é denominado termogênese sem tremor. A UCP1, também denominada termogenina, é responsável pela produção de calor nos adipócitos marrons, células ricas em mitocôndrias, dos mamíferos. (Nota: o frio induz aumento, via catecolaminas, da expressão de UCP1.) No tecido adiposo marrom (distinto do tecido adiposo branco, que é mais abundante), ocorre uma resposta ao frio em bebês na qual aproximadamente 90% da energia produzida na cadeia respiratória é utilizada para a termogênese. Assim, a gordura marrom está envolvida no gasto de energia, enquanto a gordura branca está envolvida no armazenamento de energia. (Nota: recentemente, foi demonstrado que depósitos de gordura marrom estão presentes em adultos.). Desacopladores sintéticos. O transporte de elétrons e a fos-forilação do ADP podem também ser desacoplados por meio de compostos que possibilitam a passagem de H+ através da membrana mitocondrial interna, dissipando o gradiente de prótons. O exemplo clássico é o 2,4- dinitrofenol, transportador de prótons lipofílico (ionóforo) que difunde facilmente através da membrana mitocondrial. Devido à ação desse desacoplador, o transporte de elétrons funciona em alta velocidade, sem estabelecer um gradiente de H+, de forma semelhante ao que ocorre com as UCPs. Também,neste caso, a energia produzida pelo transporte de elétrons é liberada como calor, em vez de ser utilizada para sintetizar ATP. (Nota: em doses altas, o ácido acetilsalicílico, assim como outros salicilatos, desacopla a fosforilação oxidativa. Isso explica a febre que acompanha superdoses tóxicas desses fármacos.) Fosforilação oxidativa Atp sintase Betas catalisam reação química. Ambientes vão mudar porque vai ter rotação. ATP foi formado dentro da matriz. Sistemas de transporte através da membrana A membrana mitocondrial interna é impermeável à maior parte das substâncias hidrofílicas ou com carga. Porém, essa membrana contém numerosas proteínas de transporte que permitem a passagem de moléculas específicas desde o citosol até a matriz mitocondrial. Transporte de ATP e ADP. A membrana mitocondrial interna requer transportadores especializados para transportar o ADP e o Pi do citosol (onde o ATP é hidrolisado em ADP em muitas reações que requerem energia) para dentro da mitocôndria, onde o ATP pode ser novamente sintetizado. Um carreador (do inglês antiporter) de nucleotídeos da adenina transporta uma molécula de ADP do citosol para a matriz, enquanto exporta um ATP da matriz para o citosol. Um transportador symporter cotransporta Pi e H+ do citosol para a matriz. Transporte de equivalentes redutores. A membrana mitocondrial interna não possui uma proteína transportadora de NADH, de modo que o NADH produzido no citosol não pode penetrar diretamente na matriz mitocondrial. Os dois elétrons do NADH (também denominados equivalentes redutores), no entanto, são transportados do citosol para a matriz utilizando mecanismos de lançadeiras. Na lançadeira do glicerol- fosfato, dois elétrons são transferidos do NADH para a di-hidroxiacetona--fosfato, pela glicerol-3-fosfato- desidrogenase citosólica. O glice-rol-3-fosfato produzido é oxidado pela isozima mitocondrial, a qual utiliza FAD, que é reduzido a FADH2. A CoQ, da CTE, oxida o FADH2 .Portanto, a lançadeira do glicerol-3-fosfato resulta na síntese de dois ATPs para cada NADH citosólico oxidado. Isso contrasta com a lançadeira do malato-aspartato, que produz NADH (em vez de FADH2) na matriz mitocondrial e leva, desse modo, à produção de três ATPs para cada NADH citosólico oxidado pela malatodesidrogenase, enquanto o oxalacetato é reduzido a malato. Uma proteína transportadora carrega o malato para a matriz. AULA 2 A glicólise (6 carbonos) é um processo anaeróbico (i.e., não consome O2) que metaboliza uma molécula de glicose em duas de piruvato com a produção concomitante de duas moléculas de ATP e duas moléculas de NADH. • Estágio 1: fase de retenção. A fosforilação da glicose retém o monossacaríde no citoplasma da célula e não é substrato para os transportadores de glicose. Há o consumo de 2 ATP. A fosfofrutoquinase é uma enzima alostérica que regula a velocidade da glicólise; • Estágio 2: são produzidas duas (2) unidades de 3 carbonos. A di-hidroxiacetona fosfato é convertida em gliceraldeído 3-fosfato, este último é que entra no estágio 3; • Estágio 3: ocorre a formação de 4 moléculas de ATP. O 1,3-bisfosfoglicerato é um anidrido misto de ácido fosfórico e ácido carboxílico e tem elevado potencial de transferência de fosforila para o ADP (formando ATP). A outra molécula de ATP é formada na conversão de fosfoenolpiruvato em piruvato. Em condições aeróbicas, o piruvato (da glicólise) é transportado para o interior das mitocôndrias por uma proteína carreadora específica na membrana mitocondrial. Na matriz mitocondrial, o piruvato sofre descarboxilação oxidativa pelo complexo piruvato desidrogenase para formar acetil-CoA (junto a coenzima A). Essa reação irreversível é o vínculo entre a glicólise e o ciclo do ácido cítrico. 1 molécula de CO2 é liberada no processo. O complexo piruvato desidrogenase é composto de três enzimas distintas que produz CO2 e captura elétrons de alto potencial de transferência na forma de NADH. O ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs), por si só, gera pouco ATP e não inclui oxigênio (O2) como reagente. O ciclo de Krebs remove elétrons da acetil-CoA que são utilizados na formação de NADH e FADH2 (formas reduzidas: carreadores de elétrons). Tanto o NADH como o FADH2 é que serão oxidados por O2 na fosforilação oxidativa. Rotação da ATPsintase vai originar ATP. 3 carbonos do piruvato já foram liberados no Ciclo de Krebs Primeiramente, o NADH (entra no Complexo 1) ou o FADH2 (entra no Complexo 2) transferem seus elétrons para a Cadeia Transportadora. À medida que os elétrons se movem por ela, alguma parte da energia deles é utilizada para liberar H+ para o compartimento externo. O H+ entra por difusão de volta para os compartimentos internos por canais especiais, ATP sintases, que tornam simultâneo o movimento do H+ com a produção de ATP. Os elétrons H+ e O2 se combinam para formar H20. O ATP é transportado para fora do compartimento interno por uma proteína carreadora que troca ATP por ADP. Uma proteína carreadora diferente move o fosfato para o compartimento interno. Esse cálculo desconsidera os elétrons que são gastos em transporte Faz combustão da glicose, transforma todos os seus carbonos em CO2. Na glicólise, formo 2 NADH, 2 ATP e 2 piruvatos. Esses 2 piruvatos vai entrar na mitocôndria, se ligar a coenzima a, formando o Acetil coa, liberando co2. O acetil coa entra no ciclo de Krebs para produzir NADH, ATP e FADH2 + 2 moléculas de CO2.. Na cadeia transportadora, o NADH entra no complexo 1 (que libera prótons) e o FADH2 entra no complexo 2 (não libera), no complexo 4 recebe os elétrons e ocorre a formação de H20. Uma das funções da cadeia respiratória é a reoxidação de NADH citoplasmático em NAD+ em condições aeróbicas para ser reutilizado na glicólise. A membrana interna da mitocôndria é impermeável para NADH e NAD+. Os elétrons do NADH citoplasmático (em vez do próprio NADH) são transportados por esta lançadeira gerando 1,5 ATP (FADH2) ao invés de 2,5 ATP (NADH). O glicerol 3 fosfato é convertido em dihidroxiacetona fosfato, o qual é convertido em um álcool. Os elétrons do NADH citoplasmático em NAD+ são trazidos para as mitocôndrias por esta lançadeira do malato-aspartato que é mediado por dois carreadores de membrana e quatro enzimas. A membrana interna da mitocôndria é impermeável para NADH e NAD+. O NADH citoplasmático transportado por esta lançadeira gera 2,5 ATP (NADH) ao invés de 1,5 ATP (FADH2). Asparato pega glutamato da alfa-Ketoglutarato e forma Oxaloacetato. O NADH transfere hidreto para oxaloacetato, que forma o malato. O malato doa hidreto para o NAD, formando NADH e formando Oxaloacetato. Esse oxaloacetato doa um glutamato para o alfa- Ketoglutarato, formando o Asparato. ATP – ADP TRANSLOCASE ATP e ADP não se difundem livremente através da membrana mitocondrial interna. Os fluxos de ATP e ADP são acoplados: o ADP só entra na matriz mitocondrial se o ATP sair (e vice versa). Mecanismo da ATP-ADP TRANSLOCASE (30 kDa): 1) ligação do ADP do citoplasma à ATP translocase; 2) eversão do transportador; 3) liberação do ADP na matriz mitocondrial; 4) ligação do ATP na forma evertida à ATPsintase; 5) eversão de volta à conformação original; 6) liberação de ATP no citoplasma, o qual vai ser usado nos processos metabólicos da célula. O potencial de membrana positivo favorece o transporte de ATP para fora da matriz mitocondrial (em respiração ativa). Desacoplamento da fosforilação oxidativa para produção de ATP resulta na geração de calor 1. Manutenção da temperatura corporal: animais que hibernam, recém-nascidos, e sobretudo em mamíferos adultos adaptados a climas frios; 2. Tecido adiposo marrom (rico em mitocôndrias): adaptado para a termogênese, geração de calor, sem calafrio (estratégia para produzircalor); 3. UCP1 = proteína desacopladora = termogenina (na membrana mitocondrial interna). 4. Fluxo de prótons do citoplasma para matriz (curto-circuito na bomba de prótons) liberando calor (dissipando gradiente de prótons para produção de ATP). 5. Temperatura corporal Liberação de ácidos graxos a partir de triglicerídeos (carbonos são mais reduzidos) Ativando termogenina, quebrando ácidos graxos, formando acetil-coa, que vai para o ciclo de Krebs, faz transporte de elétrons dissipados pela termogenina. Nesse processo, a produção de ATP vai ser menor porque a energia está sendo dissipada em forma de calor. 1. Inibição da cadeia de transporte de elétrons: rotenona (veneno para insetos e peixes) e amobarbital (sedativo barbitúrico) bloqueiam a transferência de elétrons da NADH-coenzima Q oxidorredutase impedindo a utilização de NADH como substrato. A antimicina A interfere no fluxo de elétrons provenientes do citocromo bH na coenzima Q- citocromo c oxidorredutase. O cianeto e a azida reagem com a forma férrica (Fe3+, oxidado) do heme a3, enquanto que o monóxido de carbono inibe a forma ferrosa (Fe2+, reduzido). Causa morte por asfixia. 2. Inibição da ATP sintase: a oligomicina (anti-fúngico) e a diciclohexilcarbodiimida (DCC) impedem o influxo de prótons através da ATP sintase (parando a cadeia de transporte de elétrons e síntese de ATP). Se impede fluxo de prótons, não tem rotação, não ocorre liberação de ATP na matriz mitocondrial. 3. Desacoplamento do transporte de elétrons na síntese de ATP: o 2,4-dinitrofenol (DNP) faz com que o transporte de elétrons de NADH para O2 não seja alterado mas não há formação de ATP pela ATP Sintase porque a força próton-motriz através da membrana mitocondrial é dissipada (prótons fluem a favor de seu gradiente de concentração). A energia é dissipada na forma de calor. Usado para emagrecimento. 4. Inibição da exportação do ATP: atractilosídeo (glicosídio vegetal) e ácido bongkréquico (antibiótico proveniente do mofo) inibem a atividade da ATP-ADP translocase. Não vou ter disponibilidade de ATP. Ph intramembtrana é menor que o da matriz Carboidratos Características: Solúveis em água: hidrofílicos = interagem com H20. Funções: energética e estrutural Classificação: • Monossacarídeos (mono = um): uma molécula de açúcar – Glicose – Frutose – Galactose; • Dissacarídeos (di = dois): – Sacarose: Glicose + Frutose – Lactose: Glicose + Galactose – Maltose: Glicose + Glicose; • Polissacarídeos (poli = muitos): – Amido (vegetais) – Glicogênio (animais) As quatro principais classes de biomoléculas são: proteínas, ácidos nucléicos, lipídeos e carboidratos. Carboidratos são aldeídos ou cetonas com dois ou mais grupos hidroxila. Funções biológicas de carboidratos: • Reserva de energia e fonte de energia; • Intermediários metabólicos; • Componentes estruturais do DNA (desoxirribose) e RNA (ribose); • Elementos estruturais das paredes celulares de bactérias e plantas (celulose é um dos compostos orgânicos mais abundantes na biosfera); • Associados a proteínas e lipídeos: possuem papéis cruciais na comunicação célula-célula e nas interações entre células e elementos no meio celular. Carboidratos são formados por monossacarídeos.. Monossacarídeos são aldeídos ou cetonas com dois ou mais grupos hidroxila (OH). • Fórmula empírica dos carboidratos: (C-H2O)n (hidratos de carbono); • O menor monossacarídeo possui 3 átomos de carbono (n = 3). Monossacarídeos: • N = 3 (três átomos de carbono): trioses; • Dihidroxiacetona é uma cetose porque contém uma cetona (R1R2C=O); • Gliceraldeído é uma aldose porque contém um aldeído (RHC=O). Gliceraldeído contém um carbono assimétrico (quatro substituintes diferentes) e, portanto, possui dois estereoisômeros (D-gliceraldeído e Lgliceraldeído); • Presença de um carbono assimétrico (4 constituintes dele são diferentes) é a causa da existência de estereoisômeros: mesma fórmula molecular, mesma conectividade entre os átomos, porém arranjos espaciais diferentes (não podem ser sobrepostas); • ISÔMEROS: possuem o mesmo número e tipo de átomos. – Quando pares de moléculas que diferem pelo arranjo dos grupamentos ligados a um ou mais carbonos assimétricos (centros estereogênicos) são imagens especulares que não podem ser sobrepostas estas moléculas são denominadas enantiômeros (ou isômeros ópticos). – D-gliceraldeído e L-gliceraldeído são enantiômeros pois um é a imagem no espelho do outro. • Uma dada molécula contém 2 elevado na n ESTEREOISÔMEROS. – Gliceraldeído contém um carbono assimétrico (quatro substituintes diferentes) e, portanto, possui dois (21 = 2) estereoisômeros (Dgliceraldeído e L- gliceraldeído). Lembre que ESTEREOISÔMEROS têm a mesma fórmula molecular, mesma conectividade entre os átomos, porém arranjos espaciais diferentes (não podem ser sobrepostas). Quando os estereoisômeros forem imagens especulares que não podem ser sobrepostas, denominase estas moléculas de ENANTIÔMEROS (ou isômeros ópticos, são o espelho um do outro). – D-gliceraldeído e L-gliceraldeído são enantiômeros pois um é a imagem no espelho do outro. Isômeros possuem o mesmo número e tipo de átomos. As duas moléculas não podem ser superpostas pois são imagens especulares. Isto é característico de moléculas que possuem átomos de carbono tetraédrico com quatro substituintes diferentes. O átomo central é conhecido como centro assimétrico ou centro quiral (chiral) e são ditos possuir a propriedade de quiralidade (chirality; Greek: cheir, hand). Convenção de Fischer: No sistema de convenção de Fischer os grupos substituintes ligados a um centro assimétrico (quiral) são relacionados ao gliceraldeído. Por convenção, estereoisômeros do gliceraldeído (+) são designados D (OH na direita) e os (-) são designados L (OH na esquerda). Projeção de Fischer: • linhas horizontais: acima do plano do papel; • linhas verticais: abaixo do plano do papel. Monossacarídeos: • 4 carbonos (n=4): tetroses; • 5 carbonos (n=5): pentoses,; • 6 carbonos (n=6): hexoses; • 7 carbonos (n-7): heptoses.. Aldoses: Estas moléculas (n>3) possuem múltiplos centros assimétricos, e, para estes monossacarídeos, a denominação D e L refere-se à configuração absoluta do carbono assimétrico mais distante do grupo aldeído ou cetona (carbono mais oxidado no topo). D-aldoses contendo 3, 4, 5 e 6 carbonos: centro assimétrico mais distante do aldeído é mostrado em vermelho Isômeros: possuem o mesmo número e tipo de átomos. Estereoisômeros: mesma fórmula molecular, mesma conectividade entre os átomos, porém arranjos espaciais diferentes (não podem ser sobrepostas) devido a presença de um centro quiral (carbono assimétrico). Enantiômeros (isômeros ópticos): pares de moléculas que diferem pelo arranjo dos grupamentos ligados a um (ou mais) carbono(s) assimétricos (centros estereogênicos) são imagens especulares que não podem ser sobrepostas.. Diastereoisômeros: para moléculas que possuem mais do que um centro quiral, estereoisômeros que diferem em mais do que um (mas não todos) centro quiral e que não são imagens especulares (portanto não são enantiômeros). Epímeros: diastereoisômeros que diferem por apenas um centro quiral. . Atenção: não confundir a classificação D e L com as propriedades ópticas da molécula! Assim (+) e (-) reservam-se para indicar a atividade óptica e D e L reservam-se para identificar os pares de estereoisômeros, estando relacionada com a posição da hidroxila do carbono assimétrico (4 substituintes diferentes) mais distante da carbonila (grupo C=O) seja das aldoses ou das cetoses. Não é possível prever a magnitude nem o sinal da rotação específica de um composto químico. Por exemplo, o aminoácido L-arginina de proteínas apresenta uma rotação específica () de +12,5. 18 AMONOSSACARÍDEOS MODIFICADOS: Monossacarídeos modificados: carboidratos podem ser modificados pela adição de substituintes (em vermelho) de outros grupos que não o grupo hidroxila. Estes carboidratos modificados são geralmente expressos na superfície das células. Carboidratos: a ligação formada entre o carbono anomérico (C1) de um açúcar e o grupamento hidroxila de um álcool é chamada de ligação glicosídica. • Oligossacarídeos são carboidratos formados pelas ligações glicosídicas entre monossacarídeos.; • A sacarose, lactose e maltose são componentes comuns na dieta dos seres humanos.; • A sacarose, lactose e maltose são exemplos de dissacarídeos. Dissacarídeos: Os isômeros e da glicose encontram-se em equilíbrio que passa pela forma de cadeia aberta (acíclico). A Glucose reage com agentes oxidantes (tais como o íon cúprico (Cu2+) porque a forma de cadeia aberta possui um grupo aldeído que é oxidado. Os açúcares que reagem são denominados de redutores (possuem um grupamento aldeído ou cetona livres). Sacarose: a sacarose (açúcar comum extraído de cana de açúcar e beterrabas) é um dissacarídeo formada por resíduos de -D-glucose e -D-frutose ligados pelo seu carbono anomérico. Portanto, sacarose não é um açúcar redutor pois nenhum componente monossacarídico pode ser convertido em um aldeído ou cetona (ou não tem OH livre ligado ao carbono anomérico). Lactose: Açúcar do leite. Por hidrólise resulta em galactose e glicose. Hidroxila (OH) ligada ao carbono anomérico livre: portanto, é capaz de reduzir íons de Cu++, Ag+ e Bi++ (açúcar redutor). Maltose: açúcar do malte; • Grãos em germinação; • Principal produto da hidrólise do amido; • A maltose é formada por dois resíduos de D- glucose associados por uma ligação glicosídica entre o C-1 de um açúcar e o C-4 do açúcar adjacente (ligações -1,4); • No corpo: hidrolisada a glicose; • Usada para alimentação de crianças (“fórmulas”). Polissacarídeos São polímeros de condensação que contém centenas de moléculas de monossacarídeos.. Por hidrólise dão origem a um grande número de monossacarídeos. Podem ser: homopolissacarídeos (hidrólise resulta em monossacarídeos iguais) ou heteropolissacarídeos (hidrólise resulta em monossacarídeos diferentes). HOMOPOLISSACARÍDEOS: • Glicogênio; No músculo, usado para contração muscular; no fígado, serve para controle do nível de glicose no sangue. Gordura é maior fonte de energia pois tem os carbonos mais reduzidos. • Amido; A forma ramificada da amilopectina (-1,6 ) é semelhante ao glicogênio, exceto por seu menor grau de ramificação. A amilopectina, a amilose e o glicogênio são rapidamente hidrolisados pela - amilase (hidrólise de ligações -1,4), uma enzima secretada pelas glândulas salivares e pelo pâncreas. • Celulose: A celulose é um polímero linear (ligações -1,4 glucopiranosídicas), é resistente, insolúvel em água, não ramificado que não pode ser digerido porque mamíferos não têm a celulase (enzima beta): fibra insolúvel que aumenta a velocidade pela qual os produtos da digestão passam pelo intestino grosso (minimizando a exposição às toxinas presentes na alimentação). Glicólise Glicose: A glicose é o único composto químico energético que o cérebro utiliza em condições que não o jejum e o único que as hemácias conseguem metabolizar. Mistura em equilíbrio de glicose contém aproximadamente um terço do anômero (lado oposto), dois terços do anômero (mesmo lado) e < 1% da forma de cadeia aberta. Grupamentos hidroxila na conformação em anel da -glicose são equatoriais (maior estabilidade, se não raios de van der Wals não conseguem aproximar átomos sem formar ligação): carbonila da forma aberta reage quimicamente (processo não enzimático) com grupamentos amina de proteínas. A glicose entra nas células por proteínas transportadoras específicas (GLUT1, GLUT2, GLUT3, GLUT4 e GLUT5). Cada GLUT é constituído de uma cadeia polipeptídica de cerca de 500 aminoácidos (12 hélices transmembrana). A glicólise (grego: glyký = doce / lýsis = dissolução), também conhecida como via de Embden - Meyerhof, é a sequência de reações (catalisadas por enzimas) que metaboliza uma molécula de glicose em duas de piruvato com a produção concomitante de duas moléculas de ATP. Este processo é anaeróbico. Destino do piruvato: conversão em etanol (em leveduras), lactato (na ausência de oxigênio) ou dióxido de carbono (na presença de oxigênio). As duas primeiras reações são fermentações que ocorrem na ausência de oxigênio (lática e alcoólica). Fermentação é um processo gerador de ATP no qual compostos orgânicos atuam como doador e aceptor de elétrons. Estágio 1: fase de retenção. A fosforilação da glicose retém o monossacarídeo no citoplasma da célula e não é substrato para os transportadores de glicose. Há o consumo de 2 ATP. Estágio 2: são produzidas duas unidades de 3 carbonos. A di- hidroxiacetona fosfato formada é convertida em gliceraldeído 3-fosfato, este último é que entra no estágio 3 (cuidar quantidades). Estágio 3: ocorre a formação de 4 moléculas de ATP. O 1,3-bisfosfoglicerato é um anidrido misto de ácido fosfórico e ácido carboxílico e tem elevado potencial de transferência de fosforila para o ADP (formando ATP). A outra molécula de ATP é formada na conversão de fosfoenolpiruvato em piruvato. Esse processo é anaeróbio. Estágio 1 Etapa importante por dois motivos: 1) glicose-6-fosfato, produto da exoquinase, não é substrato para as proteínas transportadoras de glicose, então fica dentro da célula; 2) grupo fosfato desestabiliza a glicose, facilitando o prosseguimento do seu metabolismo. Isomerização da glicose 6-fosfato (aldose) em frutose 6- fosfato (cetose) é catalisada pela fosfoglicose isomerase, ocorre em várias etapas porque a forma predominante do substrato é cíclica (piranosídica). Fosforilação do carbono-1 da frutose 6-fosfato à custa de ATP formando frutose 1,6-bisfosfato (cada um ligado a um carbono diferente). Reação catalisada pela fosfofrutoquinase (enzima alostérica que regula a velocidade da glicólise). Estágio 1: são produzidas duas (2) unidades de 3 carbonos. A enzima aldolase converte frutose 1,6- bisfosfato em di- hidroxiacetona fosfato e no gliceraldeído 3-fosfato (última reação do estágio 1). A di-hidroxiacetona é convertida pela triose fosfato isomerase em gliceraldeído 3-fosfato, já que é esse que passa para próxima etapa. Estágio 2 Estágio 2: A isomerização de dihidroxiacetona fosfato (cetose) em gliceraldeído 3-fosfato (aldose) é catalisada pela enzima triose fosfato isomerase (TIM). Estágio 3 Ocorre a formação de 4 moléculas de ATP. Gliceraldeído 3- fosfato desidrogenase converte gliceraldeído 3-fosfato em 1,3- bisfosfoglicerato (fosfato inorgânico é transferido para o carbono 1), e isso, ocorre concomitantemente a formação de NADH (consumo de ortofosfato e NAD+). A fosfoglicerato quinase catalisa a transferência do grupo fosfato do acilfosfato do 1,3- bisfosfoglicerato para ADP (formando ATP), e concomitante a formação de 3- fosfoglicerato (e ATP) A reação é de deslocamento intramolecular de um grupamento químico. A fosfoglicerato mutase catalisa a transferência do grupo fosfato do um resíduo de histidina no sítio ativo da enzima (que é fosforilada) para o carbono-2 do 3- fosfoglicerato formando 2,3- bisfosfoglicerato. O grupo fosfato ligado ao carbono-3 de 2,3-bisfosfoglicerato é transferido para a histidina formando 2- fosfoglicerato. A enolase catalisa a desidratação do 2- fosfoglicerato formando fosfoenolpiruvato. Este produto da reação enzimática é um enolfosfato com alto potencial de (G negativo) transferência do grupamento fosfato A piruvato quinase catalisa a transferência do grupamento fosfato fosfoenolpiruvato para ADP, formandopiruvato e ATP. Esta reação é praticamente irreversível (pois G é negativo). Formo 4 ATPS, dois para cada gliceroaldeídos produzidos na fase 2 No total, 2 ATP são produzidos contando os que são consumidos. 3 estágios resumidos Estágio 1: fase de retenção. A fosforilação da glicose retém o monossacarídeo no citoplasma da célula e não é substrato para os transportadores de glicose. Há o consumo de 2 ATP. Estágio 2: são produzidas duas (2) unidades de 3 carbonos. A di-hidroxiacetona fosfato é convertida em gliceraldeído 3- fosfato, este último é que entra no estágio 3. Estágio 3: ocorre a formação de 4 moléculas de ATP. O 1,3-bisfosfoglicerato é um anidrido misto de ácido fosfórico e ácido carboxílico e tem elevado potencial de transferência de fosforila para o ADP (formando ATP). A outra molécula de ATP é formada na conversão de fosfoenolpiruvato em piruvato. Glicólise O NAD+ tem de ser regenerado porque há quantidade limitada nas células (deriva da vitamina niacina proveniente da alimentação). Nas mitocôndrias, a descarboxilação oxidativa do piruvato e formação da acetil coenzima A (Acetil-CoA) catalisada pelo complexo piruvato desidrogenase e a transferência de elétrons do NADH que ocorre na cadeia de transporte de elétrons regeneram o NAD+ (para ele retornar para glicólise) que foi produzido pela gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase da via glicolítica (no citosol). Estágio 1 Em condições aeróbicas, o piruvato (da glicólise) é transportado para o interior das mitocôndrias por uma proteína carreadora específica na membrana mitocondrial. Na matriz mitocondrial, o piruvato sofre descarboxilação oxidativa pelo complexo piruvato desidrogenase para formar acetil-CoA. Essa reação irreversível é o vínculo entre a glicólise e o ciclo do ácido cítrico. 18 Piruvato + CoA + NAD+ → acetil-CoA + CO2 + NADH + H+ O complexo piruvato desidrogenase produz CO2 e captura elétrons de alto potencial de transferência na forma de NADH. Participam da reação: três enzimas (E1, E2 e E3), três cofatores catalíticos (tiamina pirofosfato, ácido lipóico e FAD), e dois cofatores estequiométricos (NAD+ e CoA: atuam como substratos) Geração acetil coa O ciclo do ácido cítrico é a via comum final da oxidação de moléculas energéticas: carboidratos, ácidos graxos e aminoácidos (na mitocôndria). A glicólise ocorre no citoplasma. A maioria das moléculas energéticas entra neste ciclo na forma de acetil coenzima A Ciclo de krebs O Ciclo de Krebs (Ciclo do ácido cítrico ou Ciclo do ácido tricarboxílico) é a via final comum para a oxidação das moléculas provenientes de alimentos. Também serve como fonte de blocos de construção para biossínteses. Todas as fontes energéticas acabam sendo metabolizadas a acetil-CoA ou componentes do ciclo de Krebs. Estágio 2: Oxidação da Acetil-CoA no Ciclo de Krebs NAD+ e FAD atuam como “transportadores de elétrons” O ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs), por si só, gera pouco ATP e não inclui oxigênio (O2) como reagente. O ciclo de Krebs remove elétrons da acetil-CoA que são utilizados na formação de NADH e FADH2 (formas reduzidas: carreadores de elétrons). Tanto o NADH como o FADH2 é que serão oxidados por O2 na fosforilação oxidativa. Sua principal função não é produzir ATP (só forma 1), mas sim, os compostos reduzidos. As células são as unidades funcionais dos organismos A estrutura celular inclui três partes principais: • Membrana celular: proteção/seletividade; • Citoplasma: contém organelas; • Núcleo: contém o material genético Local onde ocorre o metabolismo oxidativo em eucariotos (piruvato desidrogenase, enzimas do ciclo de Krebs, enzimas da oxidação de ácidos graxos, e enzimas e proteínas redox do transporte de elétrons e fosforilação oxidativa). A membrana externa é altamente permeável (contem porinas) e a membrana interna é altamente impermeável (é somente altamente permeável à O2 , CO2 e H2O). As proteínas envolvidas no transporte de elétrons e fosforilação oxidativa estão associadas à membrana interna da mitocôndria (assim como proteínas de transporte de ATP, ADP, piruvato Ca2+ e fosfato). A matriz (gel-like) contem altas concentrações das enzimas solúveis do metabolismo oxidativo (e.g., do ciclo de Krebs) e substratos, cofatores nucleotídicos e íons inorgânicos Nas quatro reações de óxido-redução do ciclo de Krebs, três pares de elétrons são transferidos ao NAD+ e um par ao FAD. Os carreadores reduzidos (NADH e FADH) são posteriormente oxidados na cadeia transportadora de elétrons (fosforilação oxidativa). A cada volta, pra 3 carbonos, tenho 3 NADH sendo produzidos, 1FADH2 e 1 ATP (+2CO2). Primeira reação: citrato sintase Oxaloacetato é convertido em citrato com acetil..No sitio ativo da enzima, tem participação de histidina que doa próton Segunda reação: aconitase Conversão de citrato em isocitrato, isso ocorre através de intermediário, enzima aconitase em que se elimina água, formando dupla ligação e depois água entra no carbono 4, formando isocitrato. Terceira reação: isocitrato desidrogenase Isocitrato é convertido em alfa-cetoglutarato pela isocitrato desidrogenase. Tem transferência de hidreto para o NAD, formando NADH. Tem liberação de CO2do acetil coa. Quarta reação: complexo alfa-cetoglutarato desidrogenase Vai ter conversão de alfa cetoglutarato, coenzima A que está entrando, vai liberar dióxido de carbono, transferência de hidreto para o NAD, formando NADH formação succinilcoa. Quinta reação: succinilCoA sintetase SuccinilCoA é convertido em Succinato, liberando a coenzima A. Adição de um fosfato no GDP, formando GTP. (forma fosforilada da enzima que faz isso) Sexta reação: sucinato desidrogenase (única enzima do CK embebida na membrana mitocondrial interna) Succinato é convertido em Fumato., FAD vira FADH2 Sétima reação: fumarase Fumarato é convertido em Malato. Água é transferida para ligação dupla (OH para um carbono H para outro) Oitava reação: malato desidrogenase Malato é convertido em Oxaloacetato. Ocorre a formação de mais um NADH (hidreto transferido para o NAD). Esse Oxaloacetato vai para o inicio do ciclo para reiniciar o processo. Regulação da velocidade do Ciclo de Krebs A formação de acetil-CoA é uma etapa irreversível nos animais que não conseguem converter acetil-CoA de novo em glicose. A descarboxilação oxidativa do piruvato a acetilCoA faz com que os átomos de carbono da glicose tenham um de dois destinos: • oxidação a CO2 pelo ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs) com geração concomitante de energia; • Ou incorporação a lipídeos.. A atividade do complexo piruvato desidrogenase é meticulosamente controlada. Complexo Piruvato Desidrogenase: Acetil-CoA (di- hidrolipoil transacetilase E2) e NADH (di-hidrolipoil desidrogenase E3) em excesso inibem a enzima. • Fosforilação pela piruvato desidrogenase quinase I (PDK) desativa o complexo piruvato desidrogenase; • A desfosforilação pela piruvato desidrogenase fosfatase (PDP) reverte o complexo piruvato desidrogenase para o seu estado ativo. “FEED BACK” de nucleotídeos: em repouso, as razões NADH dividido por NAD+, acetil-CoA dividido por CoA e ATP dividido por ADP serão elevadas. Essas razões elevadas promovem fosforilação e desativação do complexo piruvato desidrogenase (não convertendo piruvato em acetil - CoA. Por exemplo, quando o exercício físico começa, as concentrações de ADP e piruvato se elevam enquanto a contração muscular consome ATP e glicose é convertida em piruvato para atender às demandas energéticas. NADH e Acetil-CoA ativam a piruvato desidrogenase quinase I (PDK) possibilitando a inativação do complexo piruvato desidrogenase. NADH e Acetil-CoA são produtos da oxidação dos ácidos graxos e, esta inibição, serve para preservar as reservas de carboidratos (porque
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