Aula teorica 9 Ciclo do Ácido Cítrico, Cadeia de transporte de e e Fosforilação Oxidativa

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Professor Alexandre Soares dos Santos DCB/UFVJM 2007 1
Ciclo do Ácido Cítrico, Cadeia de Transporte de Elétrons e 
Fosforilação Oxidativa 
 
 
Recordando! 
 
 
 
 
 
 
 Fermentação alcoólica Fermentação Láctea 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Acoplamento da via glicolítica ao Ciclo de Krebs e, deste, com a cadeia de 
transporte de elétrons e com o processo de fosforilação oxidativa. 
 
 
 
 
 
 
 
Compartimentalização das vias metabólicas 
 
 
 
 
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A Piruvato desidrogenase catalisa a descarboxilação oxidativa do piruvato 
para a formação de acetil-CoA e CO2. Esse passo catalítico tem por coenzimas 
o NAD+ e a CoA-SH. 
 
H3C C C O
−
O O
C S
O
H3C CoA
HSCoA
NAD+ NADH
+ CO2
Pyruvate Dehydrogenase 
pyruvate acetyl-CoA 
 
 
Š A matrix mitocondrial contém a Piruvate Desidrogenase, 
enzimas do Ciclo de Krebs, e outras enzimas de outras vias 
metabólicas, ex.: beta oxidação e metabolismo de aminoácidos. 
Š A membrane externa contém grandes canais (VDAC), similares 
às porinas de bactérias, que a torna permeável a íons e pequenas 
moléculas. 
Š A membrane interna da mitocôndria é mais seletiva. Ela contém 
vários transportadores, incluindo proteínas que transferem o 
piruvato para a matrix. 
Š A membrane interna possui muitas dobras, com invaginações 
chamadas cristas. Embebidos na membrane interna estão os 
constituintes da cadeia respiratória e a ATP sintase. 
Piruvato, produto aeróbio da 
via glicolítica, é metabolizado 
na mitocôndria. 
 
Compartimentos 
Mitocondriais: 
Matriz 
Membrana 
interna 
Membrana 
externa 
Cristas 
Espaço 
intermembrar 
Piruvato Desidrogenase 
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Piruvato Desidrogenase: Grande complexo enzimático contendo muitas cópias das 
enzimas E1, E2, & E3. 
 
O núcleo do complexo piruvato desidrogenase de mamíferos é uma estrutura icosaédrica 
consistindo de 60 cópias de E2. 
 
Na periferia do complexo existem: 
• 30 cópias de E1 (tetrâmero com subunidades α2β2). 
• 12 cópias de E3 (um homodímero), mais 12 cópias de uma proteína ligadora de 
E3 que liga E3 a E2 
 
 
 
 
 
 E1 E2 E3 
 
Enzima Abreviação Grupos Prostéticos e 
Coenzimas 
Piruvato Desidrogenase E1 Pirofosfato de tiamina 
Diidrolipoil Transacetilase E2 Lipoato, CoA 
Diidrolipoil Desidrogenase E3 FAD, NAD 
 
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FAD (Flavina Adenina Dinucleotídeo) é derivado da vitamina 
riboflavina. O anel dimetilisoaloxazina sustenta o processo de oxido-
redução. FAD é um grupo prostético, parte permanente de E3. 
Reação: FAD + 2 e- + 2 H+ ÅÆ FADH2 
C
C
C
H
C
C
H
C
N
C
C
N
N
C
NH
C
H3C
H3C
O
O
CH2
HC
HC
HC
H2C
OH
O P O P O
O
O-
O
O-
Ribose
OH
OH
Adenine
C
C
C
H
C
C
H
C
N
C
C
H
N
N
H
C
NH
C
H3C
H3C
O
O
CH2
HC
HC
HC
H2C
OH
O P O P O
O
O-
O
O-
Ribose
OH
OH
Adenine
FAD FADH2 
2 e− + 2 H+
dimethylisoalloxazine 
Tiamina Pirofosfato (TPP) é derivado da tiamina (vitamina B1). 
Deficiência nutricional de tiamina acarreta a doença de beriberi. 
Beriberi afeta especialmente o cérebro, porque TPP é requerido para o 
metabolismo de carboidratos, e o cérebro depende do metabolismo da 
glicose para energia. 
 
 thiamine pyrophosphate (TPP) 
N
NH3C NH2
CH2
S
C
N
H3C CH2 O P O P O
−
O− O−
CH2
H
O O
+
acidic H+
O mecanismo da Tiamina Pirofosfoto: 
H+ do C entre o N e o S do anel tiazólico é prontamente 
dissociado. O carbânio resultante pode atacar o carbono eletron-
deficiente da cetona do piruvato. 
 
 thiamine pyrophosphate (TPP) 
N
NH3C NH2
CH2
S
C
N
H3C CH2 O P O P O
−
O− O−
CH2
H
O O
+
acidic H+
C
C
CH3
O−
O
O
pyruvate 
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A Lipoamida inclue um ditiol que participa do processo de 
oxido-redução 
S CH2
CH2
CHS
CH2 CH 2 CH2 CH2 C NH (CH2)4 CH
NH
C O
O
HS CH 2
CH2
CHHS
CH2 CH 2 CH2 CH2 C NH (CH2)4 CH
NH
C O
O
2e− + 2H+
lipoamide
dihyd ro lipoamide 
lys ine lipoic acid 
• A carboxila do ácido lipóico forma uma ligação amida com a 
cadeia lateral do resíduo de lisina de E2, gerando a lipoamida. 
• Um braço longo e flexível, incluindo a cadeia hidrocarbônica do 
lipoato e o grupo lisina, liga o grupo ditiol a um dos dois domínios 
ligadores de lipoato de cada E2. 
• Domínios de ligação de Lipoato são partes integrantes de um fibra 
flexível de E2 que se estende do núcleo do complexo para a 
periferia. 
• O braço flexivél formado pelo grupo functional lipoamida move-se 
do sítio ativo de E2 no núcleo do complexo para os sítios ativo de 
E1 & E3 na periferia do complexo. 
S CH2
CH2
CHS
CH2 CH2 CH2 CH2 C NH (CH2)4 CH
NH
C O
O
lipoamide 
lysine lipoic acid 
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Arsênico orgânico é um potente inibidor de enzimas contendo 
lipoamidas, como a Piruvato desidrogenase. 
Esses compostos altamente tóxicos reagem covalentemente com os 
grupos tióis vicinais desabilantando-os do papel de agentes redutores. 
HS
HS
R
S
S
R
R' As O AsR'+
H2O
O aceptor final de electron 
é o NAD+. 
 
Coenzyme A-SH + HO C
O
CH3
Coenzyme A-S C
O
CH3 + H2O
acetic acid 
acetyl-CoA 
N
R
H
C
NH2
O
N
R
C
NH2
OH H
+
2e− + H+ 
NAD+ NADH 
Na reação catalizada pelo 
complexo Piruvato 
Desidrogenase, o ácido acético 
gerado é trnasferido para a 
coenzime A. 
Acetil CoA, produto da reação catalizada pelo complexo Piruvato 
Desidrogenase, é um composto central do metabolismo. 
A ligação tioester de “alta energia” Faz dele um excelente doador de 
acetila. 
acetyl-coenzyme A 
H3C C
O
S CoA
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O ATP também exerce modulação negativa sobre a Piruvato desidrogenase 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Acetil CoA atua como: 
Š Elemento de fomento do 
Ciclo de Krebs, onde a 
porção acetila é oxidada a 
CO2. 
Š Doador de acetila para a 
síntese de ácidos graxos, 
corpos cetônicos e 
colesterol. 
 glucose-6-P 
 Glycolysis 
 pyruvate 
 fatty acids 
 acetyl CoA ketone bodies 
 cholesterol 
 oxaloacetate citrate 
 
 Krebs Cycle 
Regulação do Complexo Piruvato Desidrogenase: 
 
Inibição por retroalimentação de NADH & acetil CoA: 
Š NADH compete com NAD+ pelo sítio de ligação em E3. 
Š Acetil CoA compete com CoA pelo sítio de ligação em E2. 
Regulação por fosforilação/desfosforilação de E1 através de Cinases e 
Fosfatases específicas associadas com a Piruvato desidrogenase na 
matrix mitocondrial: 
Š Piruvato Desidrogenase Cinases catalizam a fosforilação de 
resíduos de serina de E1, inibindo o complexo. 
Š Piruvato Desidrogenase Fosfatases revertem esta inibição. 
 
Piruvato Desidrogenase Cinase são ativadas por NADH & acetil-CoA,estabelecendo uma segunda maneira de controle da Piruvato 
desidrogenase pelos seus produtos. 
E1 inativa E1 ativa 
DESFOSFORILAÇÃO 
FOSFORILAÇÃO 
cinase fosfatase E2 
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O aumento de Ca++ citossólico que ocorre durante a ativação da contração 
muscular pode lever à assimilação de Ca++ pela mitocôndria. Esse 
aumento da concentração de Ca++ estimula a fosfatase e, portanto, leva à 
ativação da Piruvato Desidrogenase. 
Assim o metabolismo mitocondrial é estimulado durante exercícios. 
Pyruvate 
Dehydro- 
genase 
in matrix 
mitochondrion Ca++ 
Uma isoforma da fosfatase sensível 
ao Ca++ que remove Pi de E1 é 
expressa no músculo. 
Durante a inanição (jejum): 
Š Piruvato Desidrogenase Cinase aumenta em quantidade na 
maioria dos tecidos, incluindo músculo esquelético, através 
aumento da transcrição gênica. 
Š Sob essas mesmas condições, a quantidaded de Piruvato 
Desidrogenase Fosfatase diminui. 
 
A inibição resultante da Piruvato Desidrogenase previne que músculo 
e outros tecidos catabolizem a glicose e precursores da gliconeogênese. 
Š Metabolismo muda para a utilização de gorduras. 
Š A quebra de proteínas musculares para suprir precursores da 
gliconeogênese é minimizada. 
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Ciclo de Krebs ou Ciclo do Ácido Cítrico 
ou Ciclo do Ácido Tricarboxílico 
 
 
 
 
Reação geral do Ciclo do Ácido Cítrico: AcetilCoA + 2H2O + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi Æ 2CO2 + 
CoA + 2H+ + 3NADH + FADH2 + GTP ΔGº (pH 7) = -44,8 kJ.mol-1 
Reação Enzima Tipo de Reação ΔG0' (kJ/mol) 
Acetil-CoA + Oxaloacetato + H2O Æ Citrato + 
CoA-SH + H+ Citrato Sintase Condensação -32,2 
Citrato Æ cis-Aconitato + H2O Æ Isocitrato Aconitase Desidratação e hidratação +6,3 
Isocitrato + NAD+ Æ α-Cetoglutarato + CO2 + 
NADH 
Isocitrato 
Desidrogenase 
Descarboxilação 
Oxidativa -8,4 
α-Cetoglutarato + NAD+ + CoA-SH Æ Succinil-
CoA + CO2 + NADH 
α-Cetoglutarato 
Dsiydrogenase 
Descarboxilação 
Oxidativa -33,5 
Succinil-CoA + Pi + GDP Æ Succinato + GTP + 
CoA-SH Succiil-CoA Sintetase Fosforilação -2,9 
Succinato + E-FAD Æ Fumarato + E-FADH2 Succinato Desidrogenase Oxidação 0 
Fumarato + H2O Æ L-Malato Fumarase Hidratação -3,8 
L-Malato + NAD+ Æ Oxaloacetato + NADH + H+ Malato Desidrogenase Oxidação +29,7 
balanço: 
Exotérmico e termodinamicamente favorável... 
-44,8 
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1) 
 
2) 
 
3) 
 
4) 
 
 
 
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5) 
 
 
6) 
 
7) 
 
8) 
 
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Regulação do Ciclo do Ácido Cítrico 
I - Citrato sintase é inibida por ATP, NADH e Succinil-CoA 
 
II- Isocitrato desiydrogenase é inibida por ATP, e ativada por ADP e NAD+ 
 
ΙΙΙ − α-Cetoglutarato desidrogenase é inibida por NADH e Succinil-CoA, e ativada por 
AMP 
 
 
ROTAS METABÓLICAS QUE UTILIZAM INTERMEDIÁRIOS DO CICLO 
 
1. Gliconeogênese 
 
oxalacetato ⇒ malato ⇒ glicose 
 
2. Síntese de àcidos Graxos 
 
citrato (mitocôndria →citossol) ⇒ acetil-CoA ⇒ ácidos graxos e colesterol 
 
3. Síntese de Aminoácidos 
• α-cetoglutarato 
• oxalacetato 
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REAÇÕES ANAPLERÓTICAS 
 
• reposição de intermediários do ciclo do ácido cítrico 
 
a) piruvato + CO2 + ATP + H2O oxalacetato + ADP + Pi 
 
 
b) fosfoenolpiruvato + GDP oxalacetato + GTP 
 
• coração e músculos 
 
c) degradação de ácidos graxos de cadeia ímpar e de aminoácidos (Ile, Met, Val) ⇒ 
succinil-CoA 
 
d) degradação de aminoácidos ⇒ oxalacetato e α-cetoglutarato 
 
e) aspartato, fenilalanina e tirosina ⇒ fumarato 
 
 
piruvato 
descarboxilase 
fosfoenolpiruvato 
carboxicinase 
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Cadeia de Transporte de Elétrons 
 
 
 
 
Complexo Nome Nº. de 
Proteínas
Grupos Prostéticos 
Complexo I NADH-CoQ Desidrogenase 46 FMN, 9 Fe-S centros 
Complexo II Succinato-CoQ Redutase 5 FAD, cit b560, 3 Fe-S centros 
Complexo III CoQ-cit c Redutase 11 cit bH, cit bL, cit c1, Fe-SRieske 
Complexo IV Citocromo Oxidase 13 cit a, cit a3, CuA, CuB 
 
 
 
• Potencial de transferência de elétrons (Eo') 
• Potencial de redução 
• Eo' negativo ⇒ baixa afinidade por elétrons 
• Eo' positivo ⇒ maior afinidade por elétrons 
 
 
 
 
n = número de elétrons transferidos 
F = constante faraday (23,06 kcal/V.mol) 
 
ΔGo = - n FΔEo' 
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• ΔEo' do NADH (FADH2) para o O2 ⇒ força propulsora da fosforilação oxidativa 
 
 
 
 
 
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Fosforilação Oxidativa 
Hipótese Quimiosmótica 
 
SÍNTESE DO ATP 
 
 
• Peter Mitchell (1961) ⇒ Teoria Quimio-osmótica 
• bombeamento de prótons 
• gradiente de pH 
• potencial elétrico 
• não há formação de compostos intermediários de alta energia 
 
 
1. pH externo (espaço intermembrar) é 1,4 unidades menor do que o interno (matriz) 
2. potencial de membrana de 0,14 V 
3. Retorno de prótons para a matriz mitocondrial ⇒ ação da ATP sintase 
4. Compartimentação 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Gradiente Eletroquímico 
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ATP Sintase 
 
 
 
 
 
 
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Aporte de NADH Citossólico na Mitocôndria 
 
• membrana mitocondrial interna é impermável ao NADH e NAD+ 
• Regeneração do NAD+ ⇒ continuidade da glicólise 
• Elétrons transferidos para um carreador de membrana 
• glicerol-fosfato ⇒ músculos/cérebro 
• malata-aspartato ⇒ rim/fígado/coração 
 
 
 
 
 
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Desacopladores do Transporte de Elétrons 
 
 
 
 
BALANÇO ENERGÉTICO DA OXIDAÇÃO DA GLICOSE 
 
 
 
 
Glicólise A B 
Glicose ⇒ glicose 6-fosfato -1 -1 
Frutose 6-fosfato ⇒ frutose 1,6-bifosfato -1 -1 
Gliceraldeído 3-fosfato ⇒ 1,3 bifosfoglicerato (2x)* +2 +2 
Fosfoenolpiruvato ⇒ piruvato (2x) +2 +2 
*2 NADH (a) 
Piruvato ⇒ Acetil-CoA 
*2 NADH (b) 
Ciclo do Ácido Cítrico 
GTP +2 +2 
6 NADH (c) 
2 FADH2 (d) 
Fosforilação Oxidativa 
a) NADH glicólise +3 +5 
b) NADH piruvato +5 +5 
c) NADH ciclo do ácido cítrico +15 +15 
d) FADH2 ciclo do ácido cítrico +3 +3 
SALDO DE ATP 30 32 
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