BIOQUÍMICA - PROVA 2 (glicólise e krebs)

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BIOQUÍMICA - PROVA 2
 BIOENERGÉTICA E METABOLISMO
 
Mariana Bartolome Leal; 2017
Faculdade de Ciências Biológicas - PUCCampinas
 O METABOLISMO é uma atividade celular altamente coordenada, onde muitos sistemas multienzimáticos (vias metabólicas) cooperam para:
obtenção de energia química
conversão de moléculas
 polimerizar
 síntese e degradação de biomoléculas necessárias
nutrientes
precursores de 
macromoléculas
precursores 
monoméricos
macromoléculas
Esses ciclos de matéria são impulsionados por um enorme fluxo de energia na biosfera, iniciando com a captura da energia solar pelos organismos fotossintéticos. Em processos metabólicos, e em todas as transformações energéticas, existe uma perda de energia útil (energia livre) e um aumento inevitável na quantidade de energia não utilizável (calor e entropia). A energia flui em uma direção através da biosfera.
 
O metabolismo é a soma de todas as transformações químicas que ocorrem em uma célula ou em um organismo.
 Ele ocorre por meio de uma série de reações catalisadas por enzimas que constituem as vias metabólicas.
 O precursor é convertido em um produto por meio de uma série de intermediários metabólicos chamados metabólitos.
 
 
O catabolismo é a fase de degradação do metabolismo, na qual moléculas nutrientes orgânicas (carboidratos, gorduras e proteínas) são convertidos em produtos finais menores e mais simples (como ácido lático, CO2 e NH3). 
As vias metabólicas liberam energia, uma parte é conservada na forma de ATP e de transportadores de elétrons reduzidos (NADH, NADPH e FADH2); o restante é perdido como calor.
 
 
O anabolismo, ou biossíntese, é realizado quando precursores pequenos e simples formam moléculas maiores e mais complexas (lipídeos, polissacarídeos, proteínas e ácidos nucleicos). 
As reações anabólicas necessitam de energia.
1. Células
As células e os organismos vivos devem realizar trabalho para permanecer vivos, crescerem e se reproduzirem. Os organismos modernos realizam uma grande variedade de transduções da energia, convertendo uma forma de energia em outra - usam a energia química dos combustíveis para sintetizar macromoléculas complexas e, também, convertem a energia química dos combustíveis em gradientes elétricos e de concentração em calor e movimento.
 Realizam trabalho constantemente. Necessitam de energia para manter suas estruturas altamente organizadas, sintetizar componentes celulares, gerar correntes elétricas e muitos outros processos. 
 
2. ATP
O ATP - adenosina trifosfafo - é a conexão química entre catabolismo e anabolismo. É a moeda energética das células vivas. A conversão exergônica de ATP em ADP + P, ou em AMP e PPi, está acoplada a muitas reações e processos.
 
 
A hidrólise (quebra) direta de ATP é a fonte de energia em alguns processos impulsionados por mudanças conformacionais. Por meio de reações de transferência de grupo, o ATP fornece energia para as reações anabólicas - incluindo a síntese de macromoléculas informacionais, e para o transporte de moléculas e íons através das membranas contra gradientes de concentração e de potencial elétrico.
 
 
 A hidrólise de ATP em ADP e fosfato acarreta na liberação de 7,2 Kcal/mol de energia.
ATP é a fonte primária de energia!
3. Glicose
A glicose ocupa posição central no metabolismo de plantas, animais e muitos microorganismos. Relativamente rica em energia potencial e bom combustível.
Em animais e em vegetais vasculares, a glicose possui 4 destinos principais: 
3.1 GlicóliseGLICOSE
síntese de polissacarídeos
 complexos
armazenada nas células
oxidada a piruvato
oxidada pela via da
 pentoses-fosfato
direcionados ao espaço extracelular
como polissacarídeo ou sacarose
pela glicólise, para fornecer ATP e metabólitos
produzindo ribose-5-fosfato para a
 síntese de ácidos nucleicos,
 e NADPH para processos 
biossintéticos redutores
Composta por 10 processos dentre duas fases:
· Fase Preparatória (5 processos): energia de 2 ATPs é consumida;
· Fase de Compensação (5 processos): energia de 2 ATPs é reposta (ganha)
3.1.1 Piruvato 
 
 O piruvato possui, em seus destinos, 03 rotas catabólicas e alguns destinos anabólicos (como síntese do AA alanina e de ácidos graxos). São elas:
1 - Oxidado, gerando Acetil - coenzima A (Acetil-coA)
2 - Reduzido a lactato (pouca concentração de oxigênio: Fermentação Lática)
 
3 - Em baixas concentrações de oxigênio (hipoxia), gerando etanol: Fermentação Alcoólica/Etanóica)
 
Há duas moléculas de piruvato ao final da glicólise!
-
As duas moléculas remanescentes de piruvato formadas pela glicólise contêm a maior parte da energia potencial química existente na glicose.
A cada uma molécula degradada de piruvato:
- 2 moléculas de ATP são geradas à partir de ADP e P1;
- 2 moléculas de NADH são geradas pela redução do NAD+ (aceptor de H);
3.1.2 Fase Preparatória da Glicólise
I) Fosforilação da Glicose
· Forma glicose-6-fosfato;
· Catalisada pela Hexocinase;
· Requer Mg2+;
· Reação Irreversível.
Cinase: enzimas que catalisam a transferência do grupo fosforil terminal do ATP a um aceptor nucleofílico
II) Conversão de glicose-6-fosfato à frutose-6-fosfato
· Forma frutose-6-fosfato;
· Requer Mg2+;
· Enzima Fosfo-hexose-isomerase;
· Intermediário etanol;
· Reação Reversível.
III) Fosforilação da frutose-6-fosfato à frutose-1,6-bifosfato
· Forma frutose-1,6-bifosfato;
· Enzima Fosfofrutocinase-1 (PFK-1);
· Reação essencialmente irreversível em condições celulares:
 
A atividade desta enzima:
AUMENTA quando há pouco ATP;
DIMINUI quando há muito ATP e ácidos graxos.
IV) Clivagem da frutose-1,6-bifosfato
· Forma diidroxiacetona-fosfato e gliceraldeído-3-fosfato;
· Enzima Frutose-1,6-bifosfato-aldolase/Aldolase;
· Reação Reversível. 
Enzima Aldolase:
Classe 1: Animais e Vegetais;
Classe 2: Fungos e Bactérias.
TRANSCRIÇÃO: FASE PREPARATÓRIA → FASE COMPENSATÓRIA
V) Interconversão das Trioses-fosfato
· Forma gliceraldeído-3-fosfato;
· Enzima Triose-fosfato-isomerase;
· Reação Reversível.
 
Apenas o gliceraldeído-3-fosfato pode ser diretamente degradado!
3.1.3 Fase de Compensação da Glicólise
 Produz ATP e NADH. Nela, incluem-se as etapas de Fosforilação que conservam energia, nas quais parte da energia química da molécula de glicose é conservada na forma de ATP e NADH.
 1 Glicose → 2 Gliceraldeído-3-fosfato → 2 Piruvatos + 4 ATP à partir de ADP
 O rendimento líquido de ATP por molécula de glicose consumida é de 2 ATPs, já que 2 ATPs foram consumidos anteriormente na fase preparatória!
VI) Oxidação do Gliceraldeído-3-fosfato a 1,3-bifosfoglicerato
· Forma 1,3-bifosfoglicerato;
· Enzima Gliceraldeído-3-fosfato-desidrogenase;
· Reação Reversível.
VII) Transferência do grupo Fosforil de 1,3-bifosfoglicerato a ADP
· Forma 3-fosfoglicerato e ATP;
· Enzima Fosfoglicerato-cinase;
· Reação Reversível
 
 
A enzima catalisa a reação em ambos os sentidos!
 Etapas VI e VII: acoplamento de energia
Gliceraldeóido-3-fosfato + ADP + P1 + NAD+ ⇌ 3-fosfoglicerato + ATP + NADH + H+
 (Reação Global Exergônica)
VIII) Conservação de 3-fosfoglicerato a 2-fosfoglicerato
· Forma 2-fosfoglicerato;
· Enzima Fosfoglicerato-mutase;
· Reação Reversível.
IX) Desidratação de 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato (PEP)
· Forma fosfoenolpiruvato (PEP);
· Enzima Enolase;
· Reação Reversível.
X) Transferência de um grupo fosforil do fosfoenolpiruvato para ADP
· Forma Piruvato e ATP;
· Enzima Piruvato-cinase;
· Requer K+, Mg2+ ou Mn2+;
· Reação Irreversível.
No balanço geral da Glicólise, analisandoseu ganho líquido de ATP, analisa-se:
· Destino do esqueleto de carbono da glicose;
· Entrada de P1 e ADP//Saída de ATP;
· Caminho dos elétrons nas oxirreduções.
Glicose + 2 ATP + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 P1 → 2 Piruvato + 2 ADP + 2 NADH + 2H+ + 4 ATP + 2 H20
eliminando os termos comuns
Glicose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 P1 → 2 Piruvato + 2 NADH + 2H+ + 2 ATP + 2 H20
2
2
2 NADH + 2 H+ + O2 → 2 NAD + 2 H20
em condições aeróbicas são reoxidadas a NAD+ pela transferência de seus elétrons para a cadeia transportadora de elétrons, a qual conduz esses elétrons para seu destino final: O2 - fornecendo energia para a síntese de ATP pela fosforilação.
4. Ciclo de Krebs ou Ciclo do Ácido Cítrico ou Ciclo dos Ácidos Tricarboxílicos (TCA)
Uma diferença importante entre a glicólise e o ciclo do ácido cítrico é o local da célula onde a via ocorre: nos eucariotos, a glicólise ocorre no citosol, enquanto o ciclo de Krebs ocorre na mitocôndria. A maioria das enzimas do ciclo está presente da matriz mitocondrial.
 O ciclo de Krebs é anfibólico - atua tanto no catabolismo quanto no anabolismo;
Algumas das moléculas incluídas neste constituem os pontos de partida para vias anabólicas.
· ONDE O CICLO OCORRE NA CÉLULA?
A mitocôndria possui uma membrana interna e uma externa. A região delimitada pela membrana interna é chamada de matriz mitocondrial, e há um espaço intermembranas entre as membranas interna e externa.
A membrana interna constitui uma barreira hermética entre a matriz e o citosol - e poucos compostos podem cruzá-la sem uma proteína transportadora específica. 
 
As reações do Ciclo do Ácido Cítrico ocorrem na matriz mitocondrial - exceto por uma na qual o receptor intermediário de elétrons é o FAD (e a enzima ligada ao FAD é parte integrada à membrana mitocondrial interna, e está diretamente ligada à cadeia transportadora de elétrons).
Sobre o ciclo:
· Desempenha diversos papéis no metabolismo;
· É a via final para onde converge o metabolismo oxidativo de carboidratos, aminoácidos e ácidos graxos - em que seus esqueletos carbonados são convertidos em CO2;
· Ocorre totalmente na mitocôndria e, por isso, está próximo das reações de transporte de elétrons - que oxidam as coenzimas reduzidas geradas pelo ciclo;
· A oxidação de carboidratos, aminoácidos e ácidos graxos fornece energia para a produção da maior parte do ATP na maioria dos animais - incluindo humanos;
· Ciclo de tráfego: compostos entram e saem de acordo com as necessidades do organismo.
No ciclo do ácido cítrico, o oxalato é inicialmente condensado com um grupo acetila - originário da acetil-coenzima A (CoA), e então é regenerado quando o ciclo se completa.
 
Logo, a entrada de um acetil-CoA em volta do ciclo do ácido cítrico não leva à produção ou consumo efetivo de intermediários.
 
Os dois carbonos que entram no ciclo com acetil-CoA são contrabalançaados por dois CO2 que saem do ciclo.
 3.2.1 Reações do Ciclo
I) Descarboxilação oxidativa do piruvato
O piruvato - produto final da glicólise aeróbia - deve ser transportado para dentro da mitocôndria antes que possa entrar no ciclo do ácido cítrico. Tal transporte é realizado por um transportador específico para o piruvato - ajudando-o a cruzar a membrana interna da mitocôndria. 
 Uma vez na matriz, é convertido em acetil-CoA pelo complexo piruvato-desidrogenase (complexo multienzimático) - importante fonte de acetil-CoA (alimentação do ciclo).
O complexo da PDH contém 3 enzimas - piruvato-desidrogenase (E1), diidrolipoil-transacetilase (E2) e diidrolipoil-desidrogenase (E3) - cada uma presente em múltiplas cópias. Duas proteínas de regulação também fazem parte do complexo, uma proteína-cinase e uma fosfoproteína-fosfatase. 
 
· Regulação do PDH
O complexo piruvato desidrogenase é regulado principalmente através de dois mecanismos distintos: alosteria e modificação covalente reversível. 
Ambos podem atuar (e atuam, normalmente) ao mesmo tempo, sendo que há moléculas (ativadores e inibidores) que intervêm nos dois processos simultaneamente.
Ativadores do complexo piruvato desidrogenase
- AMP e ADP – o AMP e o ADP são duas moléculas que são obtidas quando se utiliza o ATP como fonte de energia química (o ATP pode ser clivado a ADP ou a AMP). Portanto, ambas as moléculas sinalizam um estado energético baixo, pelo que faz todo o sentido que funcionem como ativadores dos processos que permitem obter energia, os processos catabólicos. Uma vez que a oxidação do piruvato faz parte do catabolismo, este processo é ativado pelo AMP e ADP.
- CoA – é um dos cofatores da enzima que aparece incorporado nos produtos (o piruvato é simultaneamente descarboxilado, oxidado e combinado com CoA). Ou seja, como se trata de uma molécula que vai reagir com o substrato, a sua presença ativa a enzima.
- NAD+ – tal como a molécula de CoA, o NAD+ é também utilizado na reação, parecendo nos produtos (sob a forma de NADH). Além disso, uma vez que o NADH pode ser utilizado para se sintetizar ATP (na respiração celular), onde é oxidado a NAD+, este último é um indicador de um estado energético baixo na célula. Por tudo isto, faz todo o sentido que esta molécula seja um ativador da oxidação do piruvato.
- Ca2+ (músculo) – o ião cálcio é um importante mediador de várias respostas celulares. Um dos processos onde intervém é na contração muscular. Portanto, sendo este ião um indicador da contração muscular, que é um processo que consome muito ATP, é vantajoso para as célula musculares poderem utilizá-lo simultaneamente como um ativador do catabolismo e, em particular, da oxidação do piruvato. Assim consegue-se que com o mesmo sinalizador o músculo entre em contração e ative o catabolismo.
- Piruvato – o piruvato é o substrato do complexo piruvato desidrogenase, portanto, faz todo o sentido que funcione como um ativador.
- Desfosforilação – na forma desfosforilada, o complexo piruvato desidrogenase é ativo.
Inibidores do complexo piruvato desidrogenase
- ATP – o principal objetivo do catabolismo é produzir energia, principalmente sob a forma de ATP. Se a célula já tiver ATP, ou NADH (que, conforme referi em cima, pode levar à produção de ATP), o catabolismo é inibido.
- Acetil-CoA – sendo o produto da reação, é lógico que tenha um papel inibitório no processo.
- Ácidos gordos de cadeia longa – alguns ácidos gordos, particularmente os de cadeia longa, funcionam como inibidores desta reação.
- Fosforilação – o complexo piruvato desidrogenase é inativado por fosforilação reversível. 
II) Síntese do citrato a partir de acetil-CoA e oxalacetato
· Forma citrato;
· Enzima Citrato-sintase;
· Reação Irreversível.
II) Isomerização do citrato: formação de isocitrato via cis-acotinato
 
· Forma isocitrato;
· Enzima Acotinase;
· Reação Reversível.
III) Oxidação e descarboxilação do isocitrato: isocitrato a alfa-cetoglutarato e CO2
 
· Forma alfa-cetoglutarato e CO2;
· Enzima Isocitrato-desidrogenase;
· Reação Reversível.
 
É uma das etapas limitantes da velocidade do Ciclo de Krebs.
A enzima é ativada alostericamente por ADP (sinalizando que a quantidade de energia na célula está baixa), e por Ca2+; enquanto é inibida por ATP e NADH.
IV) Oxidação do alfa-cetoglutarato a succinil-CoA e CO2: descarboxilação oxidativa do alfa-cetoglutarato
 
· Forma succinil-CoA e CO2;
· Complexo enzimático alfa-Cetoglutarato-desidrogenase;
· Reação Irreversível.
V) Conversão de succinil-CoA a succinato: clivagem da succinil-CoA
 
· Forma succinato;
· Enzima Succinil-CoA-sintetase;
· Reação Reversível.
VI) Oxidação do succinato a fumarato
 
· Forma fumarato;
· Enzima Succinato-desidrogenase;
· Reação Reversível.
 
A succinato-desidrogenase é a única enzima do ciclo de Krebs que está inserida na membrana interna da mitocôndria.VII) Hidratação do fumarato a malato
 
· Forma malato;
· Enzima Fumarase;
· Reação Reversível.
O fumarato também é produzido pelo ciclo da ureia, na síntese de purinas e durante o catabolismo dos aminoácidos fenilalanina e tirosina.
VII) Oxidação do malato a oxaloacetato
 
· Forma oxaloacetato;
· Enzima L-Malato-desidrogenase;
· Reação Reversível.
Em contraste com a glicólise - regulada principalmente pela fosfofrutocinase, o ciclo do ácido cítrico é controlado pela regulação de diversas atividades enzimáticas. 
· Conservação eficiente da energia das oxidações do Ciclo de Krebs
Um grupo acetil com 2 carbonos se combina no ciclo, com o oxaloacetato. Dois átomos de carbono saem do ciclo na forma de CO2 pela oxidação do isocitrato e do alfa-cetoglutarato.
 Embora o ciclo do ácido cítrico gere diretamente somente um ATP por rodada, as quatro etapas de oxidação do ciclo abastecem a cadeia respiratória - via NADH e FADH2 - com grande fluxo de elétrons, levando à formação de um grande número de moléculas de ATP durante a fosforilação oxidativa.
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O Ciclo de Krebs é uma via catabólica central, por meio da qual os componentes derivados da degradação de carboidratos, gorduras e proteínas são oxidados a CO2, com a maior parte da energia da oxidação armazenada - temporariamente - nos transportadores de elétrons (FADH2 e NADH).
Durante o metabolismo aeróbico, estes elétrons são transferidos ao O2, e a energia do fluxo de elétrons é capturada na forma de ATP.
O ciclo do ácido cítrico é anfibólico - servindo ao anabolismo e ao catabolismo. Os intermediários do ciclo podem ser desviados e utilizados como material de partida para diversos produtos da biossíntese.
5. Cadeia Transportadora de Elétrons
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