506993 Ciclo do ácido cítrico

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23/01/2013
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Departamento de QuímicaDepartamento de Química -- Curso Química TecnológicaCurso Química Tecnológica -- BioquímicaBioquímica
CICLO DO ÁCIDO CÍTRICOCICLO DO ÁCIDO CÍTRICO Profa. Esther Ma F Lucas
CICLO
DO
ÁCIDO CÍTRICO
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CICLO DO ÁCIDO CÍTRICOCICLO DO ÁCIDO CÍTRICO Profa. Esther Ma F Lucas
Principais Vias de utilização da Glicose
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RESPIRAÇÃO
Respiração é a fase aeróbia do catabolismo da glicose.
No contexto fisiológico é a troca
gasosa que envolve consumo de O2 eliberação de CO2.
No contexto fisiológico é a troca
gasosa que envolve consumo de O2 eliberação de CO2.
No contexto bioquímico é um processo
molecular que envolve o consumo de O2 ea formação de CO2 pelas células –RESPIRAÇÃO CELULAR.
No contexto bioquímico é um processo
molecular que envolve o consumo de O2 ea formação de CO2 pelas células –RESPIRAÇÃO CELULAR.
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FASES DA RESPIRAÇÃO CELULAR
1ª) Oxidação dos combustíveis (glicose, ácidos
graxos, aminoácidos) para liberar o grupo acetil
(Acetil CoA)
2ª) Oxidação do grupo acetil (Acetil CoA) à CO2.
Ciclo do ácido cítrico = Ciclo de Krebs
3ª) Redução dos transportadores de elétrons
(NADH e FADH2) gerados no ciclo do ácido cítrico,
até tranporte dos e- para o O2.
Fosforilação oxidativa
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Formação do Acetil-CoA
Combustíveis
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Complexo enzimático Piruvato Desidrogenase
É um conjunto estruturado contendo múltiplas cópias* de três enzimas.
(* no de cópias de cada enzima varia de acordo com a espécie).
Se localiza nas mitocôndrias (eucariontes); citosol (procariontes)
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Complexo enzimático Piruvato Desidrogenase
(PDH)
Cinco reações consecutivas são catalizadas neste complexo – o piruvato
é descarboxilado e desidrogenado.
Os diversos intermediários ficam ligados à superfície das enzimas do
complexo – Isto garante a proximidade das espécies que irão reagir entre
si e, impede que os substratos sejam “capturados” para outras vias .
São necessários 5 co-fatores para a ativação destas enzimas (derivados
de vitaminas) – Exercem regulação alostérica e covalente.
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Complexo enzimático Piruvato Desidrogenase
E2
Resíduo de lisina se conecta ao grupo prostético * (ligação amida)
Três domínios separados por cerca de 20 aminoácidos carregados
(garante forma estendida que separa os domínios)
*Braço longo e flexível que transprota o substrato dos sítios ativos de
E1 par E2 e para E3
E1
Tem TTP
ligada
E3
Tem FAD e
NAD ligados
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I ° - Descarboxilação Piruvato (E1)
é o passo mais lento – limita a velocidade da conversão completa.
é o passo no qual a enzima exerce a especificidade em relação ao substrato.
II ° - Oxidação do hidroxietil / redução do lipoil-lisil (E1)
Reações que ocorrem no PDH
TPP
Tiamina
pirofosfato
É produzido o acetato
(inicialmente
esterificado ao S)
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III ° - Acetilação (E2)
IV ° - Oxidação da Diidrolipaamida (E3)
o acetato (inicialmente
esterificado ao S) é
transesterificado para
produzir a acetil-CoA.
Representa
transferência de e- para
regeneração do
dissulfêto- regenera o
braço lipoil.
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Reações de oxirredução do NAD e FAD
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Estruturas das Coenzimas
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Esquema completo das
reações catalizadas no
complexo PDH
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Ciclo do ácido cítrico Função principal
oxidação do Acetil
CoA à CO2 para
produção de
energia.
Função principal
oxidação do Acetil
CoA à CO2 para
produção de
energia.
Fornece, também,
intermediários para
síntese de outros
metabólitos
importantes.
Via anfibólica
(aquela que serve
para processos
catabólicos e
anabólicos)
Fornece, também,
intermediários para
síntese de outros
metabólitos
importantes.
Via anfibólica
(aquela que serve
para processos
catabólicos e
anabólicos)
Porfirina do
grupo heme
Porfirina do
grupo heme
GlutamatoGlutamatoAspartatoAspartato
FosfoenolpiruvatoFosfoenolpiruvato
* A reposição dos intermediários desviados é feita mediante à
reações anapleróticas (mantém [ ] cte. Dos intermediários).
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Ciclo do ácido cítrico
•Em cada volta do ciclo
entra uma molécula de
acetil CoA e saem 2 de
CO2.
•A molécula de
oxaloacetato que inicia o
ciclo é regenerada.
•Quatro dos oito passos
são oxidações.
•A energia liberada é
armazenada na forma de
NADH e FADH2.
•Há 3 passos que são
irreversíveis.
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Formação do citrato
•A CoA-SH liberada nesta etapa é reciclada,
podendo realizar a descarboxilação de outra
molécula de piruvato.
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Mecanismo de formação do citrato
•Ao ligar-se à enzima o
oxaloacetato induz a
alteração da
conformação desta,
fazendo aparecer sítio
de ligação para a Acetil-
CoA.
•Quando o citroil-CoA se
formaoutra mudança
conformacional promove
ahidrólise do tio-éster
liberando a CoA-SH.
•Diminuem a
possibilidade de ocorrer
clivagem prematuar da
lig. Tioéster da acetil-
CoA
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Isomerização do
citrato a isocitrato
•O intermediário cis-aconitato não se dissocia
do sítio ativo.
•A enzima pode converter o cis-aconitato tanto
ao citrato quanto ao isocitratomas, o consumo
rápido do segundo, desloca o equilíbrio da
reação para a obtenção do produto.
•A enzima tem um centro Ferro-enxofre que
cataliza as transferências de H2O.
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Oxidação do Isocitrato a alfa-cetogutarato
•O Mg2+ estabiliza os intermediários formados.
•Na cél. Eucarionte há dois tipos de isocitrato
desidrogenase. O tipo que emprega o NAD+ se
localiza na mitocôndria, enquanto a enzima que
emprega o NADP se localiza tanto na matriz
mitoncondrial como no citosol.
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Oxidação do a alfa-cetogutarato a Succinil-CoA
•Reação ocorre de forma idêntica à descarboxilação do piruvato (na sua conversão à
acetil-CoA.
•Os complexos possuem E3 idênticas, E2 muito semelhantes, E1 com sequências de
aminoácidos diferentes – que garantem a diferença na especificidade dos complexos.
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Conversão do Succinil-CoA a Succinato
•A quebra da ligação tioéster libera energia que é armazenada
na formação do GTP ou ATP- Esta é uma reação conservadora
de energia.
•Há dois tipos de enzima. Uma específica para ADP e outra
para ATP. Estas enzimas tem duas sub-unidades, estando o
sítio ativo entre elas. Cada sub-unidade* se orienta
posicionando cargas parciais positivas próximo aos grupos
fosato-histidina carregados negativamente. (*hélices de força).
•Quando ocorre a síntese de GTP este poderá ceder o seu
grupo fosfato terminal para gerar, irreversivelmente, o ATP
(enzima = nucleosídeo difosfato quinase)
ATP e GTP são
energeticamente
equivalentes.
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Mecanismo de conversão do Succinato
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Oxidação do Succinato à fumarato
•A enzima contém três grupamentos ferro enxofre e uma molécula de FAD,
ligada covalentemente à ela – tais estruturas carreiam os elétrons retirados do
succinato, antes de entrarem na cadeia transportadora de elétrons (que
promove a oxidação do O2).
•Cada par de e- transportado desta forma envolverá a síntese de 1,5 molécula
de de ATP na fase de oxidação do O2.
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Conversão do fumarato à Malato
A fumarase é altamente
estereoespecífica
•catalisa a hidratação da dupla trans
do fumatato mas não atua sobre do
isômero cis (maleato).
•Atua sobre o L-malato mas, não
sobre o D. (na reação inversa)
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Oxidação do Malato à Oxalacetato
•O oxaloacetato é continuamente removido pela reação da citrato sintase (passo 1).
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Balanço do ciclo do ácido cítrico
•2 átomos de carbono foram inseridos no ciclo (pela incorporação do grupo
acetil no oxaloacetato).
•2 atomos de carbono emergiram do ciclo (Na forma de CO2).
•A energia liberada foi conservada na forma de 3 NADH, 1 FADH2 e 1ATP
(ou GTP)
Embora haja geração de apenas 1 molécula de ATP por volta, os 4 passsos
de oxidação fornecem um grande fluxo de elétrons para a cadeia
respiratória, na forma de NADH e FADH2, que, por sua vez, levamà
formação de um grande número de moléculas de ATP durante a
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA.
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Fosforilação Oxidativa e fotofosforilação
•Estágio final do metabolismo produtor de energia (organismos aeróbios).
•A energia produzida nas oxidações que foi armazenada como Co enzima reduzida
(NADH e NAPH2) é convertida em ATP.
•Envolve: redução do O2 à H2O (fosforilação oxidativa)
•Oxidação H2O à O2 (fotofosforilação).
•Baseadas na teoria quimeosmótica – As diferenças nas [ H+] transmenbrana são
os reservatórios para a energia gerada nas reações de oxidações biológicas.
•Envolvem fluxo de e- através de cadeia de transportadores ligados à membrana.
•A energia livre está acoplada ao transporte de prótons, através de uma membrana
impermeável aos prótons – cria potencial eletroquímico de membrana.
•O fluxo transmenbrana de H+ (sentido do gradiente de concentração) através de
canais proteicos fornece energia livre para a síntese do ATP.
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Fosforilação Oxidativa
Membrana externa
Permeável (via proteínas
trasmembrana – prinas) pra
pequenas moléculas e íons
Membrana externa
Permeável (via proteínas
trasmembrana – prinas) pra
pequenas moléculas e íons
Membrana interna
(várias invaginações – grande
superfície de contato)
Impermeável até para H+
Contém os complexos I, II, III e IV
Contém ADP-ATP traslocase
ATP syntase
Contém transportadores de
membrana
Membrana interna
(várias invaginações – grande
superfície de contato)
Impermeável até para H+
Contém os complexos I, II, III e IV
Contém ADP-ATP traslocase
ATP syntase
Contém transportadores de
membrana
Matriz
Contém todo aparato
enzimático para as vias
de catabolismo dos
combustíveis celulares
(ác. Graxo, proteínas)
exceto para a glicólise
que ocorre no citosol.
Matriz
Contém todo aparato
enzimático para as vias
de catabolismo dos
combustíveis celulares
(ác. Graxo, proteínas)
exceto para a glicólise
que ocorre no citosol.
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Esquema dos Transportadores de elétrons – complexos
multienzimáticos
Membrana
mitocondrial
interna
Complexos
Diversas subunidades protéicas associadas à diferentes grupos
prostéticos (FMN, FAD, centros ferro enxofre, citocromos, íons cobre)
Componentes móveis da cadeia transportadora de elétrons
Coenzima Q ( conecta os complexos I e II ao III)
Citocromo c( conecta o complexo III ao IV)
2 e- são transportados de um mol de NADH para o O2 – via reações de oxi-redução com osgrupos prostéticos dos complexos e componentes móveis
Sequência não está totalmente elucidada.
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Potenciais redutores dos compoenentes da cadeia
transportadora de elétrons
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FMN
Centros Fe-S
Flavina mononucleotídeo - Derivado da vitamina riboflavina
Dá origem às flavoproteínas
São transportadores de e- unicamente,
recebidos e coados pelo ferro que alterna entre
Fe 2+ e Fe 3+
• Grupos prostéticos dos complexos que atuam como
centros de óxido-redução
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Umbinoquinona (Q)
•As Co-enzimas que diferem entre sí pelo no de unidades isoprênicas presentes em sua
cadeia lateral.
•A lipofilicidade desta estrutura permite sua mobilidade na membrana.
•Os e- e prótons que ela recebe são provinientes de uma FMN.
• Grupos prostéticos dos complexos que atuam como
centros de óxido-redução
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citocromos
•São proteínas transportadora de elétrons que contém Heme como grupo prostético.
•O íon de ferro que é responsável pelo transporte de elétrons.
•A classificação dos citocromos é feita mediante ao perfil do espectro (classe) e, do máx. da absorção no
UV (sub-classe). Ex: b562.
•Cada citocromo terá:
•Sequência de aminoácidos específica
• radicais substituintes do grupo Heme diferentes
• forma de ligação do grupo Heme à cadeia protéica diferentes ( a e b – não covalente;
C – covalente)
• Grupos prostéticos dos complexos que atuam como
centros de óxido-redução
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Complexo I: Oxida o NADH / atua como bomba de prótons
NADH-umbiquinona óxido-redutase
•Possui 46 cadeias
polipptídicas.
•Tem forma de L (um
braço interior à
membrana e outro
projetado na matriz).
•Associada à uma
molécula de FMN e
até 9 centros Fe-S.
É nesta etapa que os elétrons saem da matriz e entram na membrana mitocondrial.
Capta
H+ da
matriz
Como os centro Fe-S não
tranportam prótons, os
provenientes do FMH2, que
regenera FMN ao ceder e- para
o centro Fe-S irão se localizar
no espaço inter-membranas,
promovendo sua polarização –
Gradiente de prótons
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Complexo II: “redução do Succinato”
Succinato desidrogenase
•Mesmo complexo que
atua no ciclo de Krebs.
•Não produz gradientede
prótons. (razões
termodinâmicas).
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Complexo III: “oxidação de Coenzima Q” – Ciclo Q
•Ponto deconvergência de e- proveniente dos complexos I e II.
•Transfere e- da Coenzima Q para o citocromo c.
•Ocorre em duas etapas diferentes, em cada uma delas uma molécula de QH2 é oxidada.
•A enzima apresenta dois sítios catalíticos distintos (um para redução de Q e outro para oxidação de QH2)
A redução de QH2 é bifurcada (1e- será transferido para cit. c e outro para cit. B)
Em I, Q produzido será encaminhado para o sítio catalítico interno para ser novamente.
QH2QH. QH2QQH. QH2
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Complexo IV: “oxidação do Cit. e formação de H2O”
4 cit c 2+ + 4 H+ + O2 4 cit c 3+ + 2 H2O Dímero, onde cada monômero
possui 13 subunidades protéicas
associadas a dois grupos heme
e três íons de cobre.
Envolve quatro transferências
cnsecutivas de um elétron do
citocromo c para o sítio de cobre
A, Heme A, heme A3, centro de
cobre B e, finalmente, para o
oxigênio.
Mecanismo ainda não foi
elucidado.
95% do O2 do organismo éconsumido neste processo.
A produção de H2O diária écerca de 300mL.
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Fosforilação
Converte a energia liberada nas reações de oxidação em ATP.
Explicado pela hipótese quimiosmótica.
H+ bombeado para o espaço
intermenbrana cria gradiente
de próton e gradiente
elétrico. A energia
conservava neste gradiente é
a força eletromotriz.
O retorno de H+ para o
interior da mitocôndria
(processo espontâneo) libera
a energia necessária para a
síntese de ATP.
Amembrana é impermeável
aos prótons qm quase toda
estenção, exceto nos sítios
constituídos pelo complexo
ATP-sintase.
Cada 4 prótons que
atravessam correspondem a
síntese de 1 ATP.
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ATP sintase de e. coli
HIPÓTESE
A passagem de
prótons promoveria
mudança
conformacional dos
sítios da enzima,
possibilitando a
realização da
síntese de ATP em
três etapas:
Ligação dos
substratos (ADP e
Pi); formação da
ligação fosfoéster;
liberação do ATP
formado.
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I . Glicólise  2 Piruvatos;
II. 2 Piruvatos  2 Acetil-CoA;
III. 2 Acetil-CoA (Ciclo de Krebs);
IV. NADH e FADH2 (Cadeia respiratória)
Rendimento da Oxidação Glicose
Etapa I II III I+II+III IV Mols de
ATP
Coenzimas 2 NADH 2 NADH 6 NADH
2 FADH2
10 NADH
2 FADH2
30 ATP
4 ATP
30
4
Fosforilação
Substrato
2 ATP 2 ATP 4 ATP 4
Total 38
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Inibidores e desacopladores que afetam a fosforilação oxidativa
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CICLO DO ÁCIDO CÍTRICOCICLO DO ÁCIDO CÍTRICO Profa. Esther Ma F LucasDesacopladores
Dissociam o transporte
de elétrons da síntese
de ATP.
Efetuado por
moléculas lipofílicas,
capazes de atravessar
a membrana
carreandoprótons que
serão liberados na
matriz da mitocôndria.
Ocorre destruição do
gradiente de prótons.
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CICLO DO ÁCIDO CÍTRICOCICLO DO ÁCIDO CÍTRICO Profa. Esther Ma F LucasSequência?
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Lançadeiras X NAD
Malato-aspartato
O NAD+ e NADH citosólico não podem atravessar a membrana mitocondrial mas, podem ter
seus elétrons trasferidos para sistemas capazes de atravessar tal membrana.
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Glicerol fosfato
Lançadeiras X NAD