Bioenergética e Metabolismo

Prévia do material em texto

Bioenergética
Metabolismo
MAPA 
METABÓLICO 
SIMPLIFICADO
Ácido Cítrico (C4)
ATP + H2O  ADP + Pi DG°’=-30,5kJ.mol-1
PRINCIPAIS SUBSTÂNCIAS NAS VIAS CATABÓLICASS: ATP, NAD+ E NADH; FAD E FADH2
NICOTINAMIDA DINUCLEOTÍDEO: NAD+ E NADH FLAVINA ADENINA DINUCLEOTÍDEO FAD e FADH2
FAD FADH2
PRINCIPAIS SUBSTÂNCIAS NAS VIAS CATABÓLICASS: ATP, NAD+ E NADH; FAD E FADH2
Mitocôndria
A mitocôndria, do Grego μίτος ou mitos (fio/linha) 
+ χονδρίοv ou "chondrion“, (grânulo) é uma 
das organelas celulares mais importantes, também sendo 
extremamente relevante para a respiração celular.
A mitocôndria é responsável por muitos processos 
catabólicos fundamentais para a obtenção de energia para 
a célula, como o Ciclo de o Ácido Cítrico, e a Cadeia 
respiratória na produção de ATP. 
TEORIA DA ENDOSIMBIOSE LYNN MARGULIS 1981
SYMBIOSIS IN CELL EVOLUTION 
Proposta para origem das mitocôndrias
https://evosite.ib.usp.br/history/endosym.shtml
CÉLULA VEGETAL
Cloroplasto a partir de cianobactérias
CÉLULA ANIMAL
Mitocôndria a partir de bactérias aeróbias
Glicólise é um processo anaeróbico 
que ocorre no citosol em uma 
sequência de 10 reações enzimáticas
FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA 
Leveduras realizam oxidação redutiva do 
piruvato a etanol e tal processo é explorados 
há muitos séculos na produção de vinho.
Pasteur e outros pesquisadores começaram a 
realizar experimentos na investigação química 
dessas vias catabólicas no século XIX.
Em 1940 a via completa foi elucidada por 
EMBDEM-MEYERHOF-PARNAS.
REDUÇÃO A LACTATO
Algumas bactéria e 
mamíferos realizam a 
redução do piruvato a 
lactato. 
Etapas de 1 a 5: Investimento de Energia
DHAP
G3P
G6P
F6P
F1,6B
Etapas de 6 a 10: Recuperação de Energia
Intermediários são todos fosforilados
A importância da fosforilação dos intermediários
• Manter metabólitos no citosol sem gasto de energia, pois 
não há proteínas carreadoras na membrana;
• Grupos fosforila são fáceis de transferir ;
• Enzimas têm sítios ativos específicos p/ grupos fosfatos 
complexados com Mg2+.
• Glicose-1-fosfato DG°’=-20,9kJ.mol-1
• Frutose-1-fosfato DG°’=-13,8kJ.mol-1
• Glicose-6-fosfato DG°’=-13,8kJ.mol-1
Reações da glicólise
Hexocinase é uma enzima comum, não específica, que catalisa a fosforilação de hexoses 
(D-glicose, D-manose e D-frutose).
1a etapa: fosforilação da glicose
2º Significado do Km
Km está relacionado às constantes de velocidade de cada etapa da reação
Ex: Hexocinase (Músculo) versus Glicocinase (Fígado): 
da Glicose
Glicose – 6 – fosfato
G6P
O
OH
OH
HO
HO
CH2
O
H
Asp
C
O
O
P
O
O P
O
O P
O
Adenosina
O
O
Mg
O O
2
Glicose
O
OH
OH
HO
HO
CH2
OPO32
Asp
C
O
OH
ADP
C
O
OGlu
O
AsnH2N
Hexocinase
Hexocinase + Mg2+: ATP + n H2O
Hexocinase + Glicose + Mg2+: ATP - n H2O
Cinase = enzima que transfere grupo fosforila entre ATP e um metabólito
2a etapa: conversão da glicose-6-fosfato em frutose-6-fosfato catalisada pela 
fosfoglicose isomerase
O mecanismo da catálise pela fosfoglicose-isomerase (PGI) envolve reação ácido-base
com a participação de resíduos conservados evolutivamente: Lys, His e Glu:
Mecanismo da catálise pela fosfoglicose-isomerase (PGI)
B׃ = 
N
N
H
His
H
C
O
OGlu
Lys NH3
ou
H+ =
CH2OH
C
O
HO
OH
OH
OHH
H
H
H
H
1
2
3
4
6
5
CH2OH
O
C
HO
OH
OHH
H
H
1
2
3
4
6
5
CH2OH
C
O
HO
OH
OH
H
H
H
H
1
2
3
4
6
5
CH2OH
C
O
HO
OH
OH
OH
H
H
H
H
1
2
3
4
6
5
HO H
OH OH
Glucose cis-Enediolato Manose
OH
H
H
OH
Frutose
A velocidade da isomerização é muito maior que a da 
epimerização. PGI (fosfoglicose-isomerase) deve bloquear a face 
do intermediário que levaria à formação da manose.
OH
HO
HO H
O
O
OPO3
2-
H
H3N Lys
B
OH
HO
HO
O
OPO3
2-
O
H
H
H
Abertura do anel da glicose
Isomerização da glicose
Etapa mais lenta da 
via 
3a etapa: fosforilação da frutose-6-fosfato para frutose-1,6-bisfosfato 
OH
O
CH2OH
OH
HO
P
O
O
O
OCH2
OH
O
HO
P
O
O
O
OCH2
CH2OH
OH
OH
O
HO
P
O
O
O
OCH2 OH
ATP ADP
CH2OPO3
2-
Frutose-6-fosfatoFrutose-6-fosfato Frutose-1,6-bisfosfato
Mg2+
Equilíbrio dos anômeros α e β da frutose
Sítio alostérico
Frutose-1,6-bisfosfato
ATP
PFK-1 é uma proteína tetramérica com 2 estados 
conformacionais, R e T, em equilíbrio
Ativador 
(ADP; AMP)
Inibidor 
- ATP (só em T); 
Sítios do Substrato e da Coenzima
(ATP se liga neste sítio em R e T;
F6P se liga só em R)
R T
[ATP]
R T
4a etapa: A enzima frutose-1,6-bisfosfato aldolase catalisa 
condensação aldólica (retro-aldol) 
R
O
CH2
OHH
R'
OH-
H2O
R
O
CH2
O-H
R'
R
O
CH2-
R
CH2
O-
H2O OH-
R
O
CH3
dihidroxi-acetona-
fosfatoH
O
R'
+
gliceraldeído-3-fosfato
Mecanismo de clivagem de aldol catalisada por 
base (condensação retro-aldólica)
5a etapa: A diidroxiacetona-fosfato é rápida e 
reversivelmente convertida no gliceraldeído-3-
fosfato pela triose-fosfato isomerase.
4a etapa
5a etapa
6a etapa: oxidação de gliceraldeído-3-fosfato para 1,3-bisfosfoglicerato catalisada pela 
gliceraldeído-3-fosfato-desidrogenase.
A fosforilação é feita com Pi
A 1a fase de recuperação de 
energia (2NADH+)
Acilfosfato
anidrido 
misto
com alto 
potencial de 
transferir grupo 
fosforila
C
O
O
P
O
O2
2-
R
NAD+ substitui NADH
no sítio
7a etapa: A enzima fosfoglicerato-cinase transfere o grupo fosforila de alta energia do 1,3-
bisfosfatoglicerato (DG°’=-49,4kJ.mol-1) para ADP formando ATP e 3-fosfoglicerato.
O P
O
O2
2-R O P O
O
O
P O Adenosina
O
O
Mg2+
3-fosfoglicerato + ATP : Mg2+
8a etapa: Conversão do 3-fosfoglicerato no 2-fosfoglicerato, mediada 
pela fosfoglicerato mutase com participação do cofator Mg2+
Enzima fosforilada inicialmente pelo 2,3-BPG presente (traços) no citosol
Requer a 
presença de 
2,3-BPG
9a etapa: Desidratação do 2-fosfoglicerato, mediada pela enolase, para 
formar fosfo-enolpiruvato (PEP)
(PEP)
Duas propostas mecanísticas:
Glu211
C
O O
H
C
C
C
O
OPO3
2-
OHH
H
H
Mg2+
O
Mg2+
Lys345 NH2
1
2
PEP
1
2
PEP
Glu168
Glu211
C
O
O
C
O O
H
H
O
C
C
C
O O
OPO3
2-
OHH
H
H
Mg2+
Enolase
- H2O
- H2O
(PEP)
K+ Mg2+
10a etapa: transferência do grupo fosforila do fosfoenolpiruvato (PEP) (DG°’=-61,9kJ.mol-1) para 
ADP, catalisada pela piruvatocinase, que requer K+ + Mg2+ ou Mn2+
A reação global da glicólise gera ATP, NADH e Piruvato:
Ciclo do Ácido Cítrico
1937 – Hans Krebs – sugeriu a natureza cíclica da via
1945 – Kaplan e Lipman – elucidação da estrutura da Coenzima A
1951 – Ochoa e Lynen – a primeira reação do ciclo era 
desconhecida: acetil-CoA + oxalacetato => citrato 
6C 6C 5C
4C
4C 4C 4C
O CAC começou a ser estudado a partir de 1930, quando já era conhecido que que vários dicarboxilatos
e um tricarboxilato eram rapidamente oxidados no tecido muscular durante a respiração.
Ac-CoA
3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + acetil-CoA 3NADH + FADH2 + GTP + CoA + 2 CO2
1. Em eucariotos todas as enzimas do CAC estão 
localizadas na mitocôndria;
2. Os dois átomos de carbono das duas moléculas de CO2
produzidos a cada volta do ciclo não são os dois carbonos 
que começam o ciclo;
3. Os intermediários do CAC são precursores na 
biossíntese de outras substâncias (-cetoglutarato e aa);
4. A oxidação do grupo acetila a 2 CO2 necessita da 
transferência de 4 pares de elétrons (3NAD+ 3NADH e 
FAD FADH2).
O Oxaloacetato consumido na primeira etapa do ciclo é 
regenerado na última etapa. Assim, o CAC atua como 
catalisador de múltiplas etapas que pode oxidar um 
número ilimitado de grupos acetil.
Equação geral do ciclo:
Ciclo do Ácido Cítrico
ou 
Ciclo do Ácido Tricarboxílico 
(TCA)
C6
C6
C5
C4
C4
C4
C4
C2
Complexo 
Multienzimático
E1+ E2 + E3
Conversão de piruvato a acetil-CoA
5 Etapas
E1 = Piruvato desidrogenase
E2 = Diidrolipoil transacetilase
E3 = Diidrolipoil desidrogenase
Micrografia crioeletrônica do
complexo multienzimático
Complexo Piruvato Desidrogenase
Quais são as vantagens de um complexo multi-enzimático?
Sequência de reações que ocorrem na presença de 3 enzimas diferentes e 3 coenzimas diferentes 
e dois grupos prostéticos (TPP e Ácido lipólico) = complexo piruvato desidrogenase
TPP Tiamina pirofosfato
Ácido lipólico
1ª Reação: Descarboxilação do Piruvato em E1
Ilida de nitrogênio (“Ylid”)Tiamina pirofosfato (TPP) 
Piruvato
(Piruvato Desidrogenase)
Hidroxietila-TPP
metiltiazolium
2ª Etapa: Transferência do grupo hidroxietila para E2
TPP-E1 
Acetil-dihidrolipoamida-E2
E2 - Domínio lipoila
Dihidrolipoil transacetilase
Lipoil oxidado 
(dissulfeto)
Ácido lipólico
3ª Etapa: Transferência do grupo acetila para a CoA
Dihidrolipoamida-E2
Acetil-CoA
Acetil CoA
Lipoil reduzido - Ditiol
Coenzima A
Curiosidade: Envenenamento por arsênico provoca parada respiratória
Aduto bidentado inativa a enzima
Dihidrolipoil
transacetilase - E2
Quais são as vantagens de um complexo multienzimático?
• Os Complexos Multienzimáticos são grupos de enzimas associadas de modo não-covalente que 
catalisam duas ou mais reações sequenciais em uma rota metabólica; e representam um avanço 
na evolução da eficiência catalítica, apresentando as seguintes vantagens:
• 1. Como sabemos, a velocidade das reações enzimáticas é limitada pela frequência com que as 
enzimas colidem com seus substratos. No caso dos complexos enzimáticos os substratos devem 
difundir-se entre os sítios ativos do complexo, aumentando a velocidade das reações;
• 2. A canalização dos intermediários metabólicos entre enzimas sucessivas reduz a 
possibilidades que tais metabólitos reajam com outras substâncias minimizando reações 
secundárias;
• 3. As reações em um complexo enzimático podem ser controladas coordenadamente.
Reações do CAC
1a Reação: Condensação de acetil-CoA e Oxalacetato 
Citrato sintase, uma enzima dimérica
Oxalacetato se liga primeiro à 
enzima, provocando uma 
alteração conformacional, que 
gera um sítio de interação com a
acetil-CoA
FORMA ABERTA
FORMA FECHADA
oxalacetato
acetil-CoA
H B+
H H
C SCoA
O
H
N
N
His274
HC
O
O375Asp
N
N
His274
H
B
H
C SCoA
O
H
H
Acetil CoA
Enol
C
CO2
-
O
-O2C CH2
Oxaloacetato
N
N
H
His320
H B+
C
CO2
--O2C CH2
HO CH2 C SCoA
O
(S)-citril-CoA H2O HSCoA
C
-O2C CH2
HO CO2
-
CH2 CO2
-
Citrato
Condensação
Mecanismo
Ataque estereoespecífico do enol 
à face si da carbonila gera apenas 
isômero (S)-citril-CoA
Citrato não é 
opticamente ativo
Citrato sintase
2a Reação: Isomerização de citrato em isocitrato
3a Reação: Descarboxilação oxidativa do isocitrato
Mn2+,
DG°’=-21kJ/mol 
4a Reação: Descarboxilação oxidativa do -cetoglutarato
Etapa análoga à conversão de Piruvato em acetil-CoA
E1 + E2 + E3
5a Reação: Hidrólise do grupo acil-CoA
Em mamíferos: 2 isoenzimas [GTP (trifosfato de guanosina) ou ATP]
Em plantas e bactérias: ATP (trifosfato de adenosina)
ATP e GTP se inter-convertem facilmente na presença da enzima nucleosídeo difosfato 
cinase, estabelecendo-se o equilíbrio:
GTP + ADP GDP + ATP 
ΔG°’ = 0guanina adenina
Succinil coenzima-A sintetase – E. coli
(estrutura incompleta para facilitar visualização)
Coenzima-A
Grupo fosfato da His246 
estabilizado por cargas positivas de 
resíduos de hélices próximas
6a Reação: Desidrogenação estereoespecífica do succinato
• Oxidação de alcano a alqueno é suficientemente exergônica para reduzir FAD a
FADH2, porém não é suficiente para reduzir NAD+ (oxidação de álcool a cetona
consegue reduzir NAD+).
• FAD está covalentemente ligado à succinato desidrogenase.
7ª Reação: Hidratação de Fumarato
carbânion
8a Reação: Oxidação de Malato para Oxalacetato
O valor de DG°’= +29,7kJ/mol indica que a 
[oxaloacetato] nas condições celulares é 
relativamente baixa em relação ao 
malato;
No entanto, a primeira reação do CAC, 
catalisada pela citrato-sintase é altamente 
exergônica (DG°’=-32,2kJ/mol) devido à 
clivagem da ligação tio éster da citril-CoA.
Tal processo aparentemente dispendioso, 
permite que a formação do citrato seja 
exergônica mesmo a baixas concentrações 
do oxaloacetato presente nas células; 
ajudando a manter o CAC em 
funcionamento.
Mecanismos de 
Regulação do
Ciclo do Ácido Cítrico
O CAC é controlado por mecanismos de feedback. 
Quando os produtos essenciais do CAC (NADH e 
ATP) se acumulam inibem algumas enzimas do 
ciclo: Citrato-sintase (1ª etapa); isocitrato
desidrogenase (3ª etapa); -cetoglutarato
desidrogenase (4ª etapa).
 Garrett, R.H.; Grisham, C.M. (1999) Biochemistry, 2nd ed. Saunders College 
Publishing.
 Nelson, D.L. & Cox, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 6a Ed. Artmed, 
Porto Alegre, 2014.
 Donald Voet & Judith G. Voet (2013) Bioquímica, 4a Ed. Artmed, Porto Alegre.
Mary K. Campbell & Shawn O. Farrell (2007) Bioquímica (Combo), 5a Ed. 
Cengage Learning.
 Harvey, R. A.; Ferrier, D. R. Lippincott’s Ilustrated Reviews: Biochemistry, 5th Ed, 
Lippincott williams & Wilkins/wolters Klumer Health Inc. USA
 Koolman (2005) Color Atlas of Biochemistry, 2nd ed., Thieme.
 Raven & Johnson - Fueling Body Activities: Digestion
Ciclo do Ácido Cítrico
Transferência de Elétrons e Fosforilação Oxidativa