RESUMO PRODUÇÃO DE ENERGIA ATP - BIOQUÍMICA

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PRODUÇÃO DE ENERGIA ATP
Resumo dos processos biológicos em humanos de produção de energia (Glicólise, Ciclo de Krebs e fosforilação oxidativa)
Observação: Este material é apenas um recurso didático para a disciplina de Bioquímica geral e bioquímica do exercício dos cursos de Educação Física e Medicina, com o objetivo de facilitar a compreensão dos mecanismos celulares responsáveis pela produção de energia ATP.
GLICÓLISE
1. Considerações Gerais:
É a principal via metabólica para os carboidratos ingeridos na dieta (glicose, frutose, galactose e outros).
As reações ocorrem no citosol.
Produzem ATP com e sem oxigênio (baixa produção)
Tem como produto final o piruvato, porém na ausência de oxigênio, forma o lactato.
2. Transporte para as células
A glicose usa proteínas transportadoras para atravessar as membras celulares.
A insulina ou o exercício físico promovem o deslocamento das proteínas de transporte de glicose (Glut 4), localizado na membrana de vesículas intracelulares citoplasmáticas e da região perinuclear para aumentar a captação de glicose pelos tecidos adiposo, cardíaco e muscular.
A insulina não estimula significantemente o transporte de glicose para tecidos como fígado, cérebro e células vermelhas.
3. Reações glicolíticas
	a) Visão geral: glicose + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ = 2 piruvato + 2ATP + 2NADH + 2H+ = 2H2O
b) Glicose é convertida em glicose-6-fosfato pela hexoquinase (músculo e outros) ou glicoquinase (fígado) numa reação que usa ATP e forma ADP.
!ASPECTO CLÍNICO! Mutações no gene da glicoquinase leva ao Diabetes tipo 2 (diabetes juvenil). Pacientes apresentam uma glicemia assintomática e não progressiva.
c) Glicose 6-fosfato é convertida (isomerizada) para frutose-6-fosfato pela fosfoglicose-isomerase.
d) Frutose-6-fosfato é fosforilada a partir do ATP pela fosfofrutoquinase (PFK) para formar frutose 1,6-bifosfato e ADP.
!ASPECTO CLÍNICO! Ausência de PFK leva a um aumento dos estoques de glicogênio muscular e nas células vermelhas resultando num ineficiente uso da glicose. Isso leva a uma anemia hemolítica e câimbras. 
e) frutose 1,6-difosfato é clivada pela aldolase para formar triose fosfato, gliceraldeído-3-fosfato e dehidroxiacetona fosfato (DHAP).
!ASPECTO CLÍNICO! Ausência de aldolase A (músculo e células vermelhas) está associada com anemia hemolítica. Pacientes apresentam também rabdomiólise e estado febril frequente.
f) Dehidroxiacetona fosfato é isomerizada pela triose fosfato isomerase (TPI) para gliceraldeído-3-fosfato. 
Importante! Aqui 2 moles de gliceraldeído-3-fosfato são formados para cada mol de glicose.
!ASPECTO CLÍNICO! Ausência de TPI em neonatos leva a anemia hemolítica e alterações neurológicas progressivas. Crianças nessa condição apresentam hipotonia com eventual paralisia do diafragma e cardiomiopatia. 
g) Gliceraldeído 3-fosfato é oxidado pela NAD+ e reage com fosfato inorgânico (Pi) para formar 1,3-biofosfoglicerato e NADH + H+. Reação catalisada pela gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase.
h) 1,3-biofosfoglicerato reage com ADP para formar ATP e 3-fosfoglicerato numa reação catalisada pela fosfoglicerato quinase.
i) 3-fosfoglicerato é convertido pela fosfogliceromutase para 2-fosfoglicerato.
j) 2-fosfoglicerato é desidratada pela enolase para forma fosfoenlpiruvato (PEP).
k) Fosfoenlpiruvato reage com ADP para formar ATP + piruvato pela ação da piruvato quinase (PK).
!ASPECTO CLÍNICO! Ausência de PK promove uma produção de ATP diminuída pela glicólise e pode levar a uma anemia hemolítica.
4. Destinos do Piruvato nos sistemas biológicos:
a) Conversão à lactato: piruvato pode ser reduzido no citosol por NADH, formando lactato e regenerando NAD+ pela ação REVERSÍVEL da lactato desidrogenase que pode ser encontrada no músculo e coração. O lactato é usado no fígado para síntese de glicose (gliconeogênese) ou pelo músculo, rim e coração onde o lactato é reconvertido à piruvato e oxidado.
b) Conversão para Acetil CoA: piruvato entra na mitocôndria e forma ACoA pela ação catalítica da piruvato desidrogenase (PDH).
c) Conversão para oxaloacetato: no citosol o piruvato forma OAA pela ação da piruvato carboxilase (PC), com o objetivo de ressintetizar glicose (gliconeogênese – fígado e rins) ou gerar intermediários do cliclo de Krebs (fígado, músculo e outros).
d) Conversão para alanina (aminoácido produzido no músculo): A transferência de um grupo amina para o piruvato resulta na síntese de alanina. 
!ASPECTO CLÍNICO! Ausência de piruvato carboxilase promove um acúmulo de lactato no sangue e bloqueio da conversão de piruvato para OAA. Isso leva a um atraso no desenvolvimento, fraqueza muscular (hipotenia) e dificuldade no controle dos movimentos (ataxia), convulsões e vômitos.
Importante! A ingestão de vitaminas do complexo B são cruciais para o metabolismo energético, por exemplo, a NAD é derivada da niacina (B2), a FAD da riboflavina (B3), a piruvato carboxilase usa a biotina (B7/B8) como co-fator, a coezima A é derivada do ácido pantoténico (B5), a alfa-cetoacido desidrogenase usa a tiamina (B1) como co-fator, a síntese de succinil CoA a partir da valina e isoleucina precisam da cobalamina (B12), etc....
CICLO DO ÁCIDO TRICARBOXILÍCO (Krebs)
O ciclo envolve a oxidação da ACoA em sucessivas reações de oxi-redução para produzir ATP, além de liberar esqueletos de carbono para a gliconeogênese, síntese de ácidos graxos e a interconvenção de aminoácidos. Todas as enzimas do CK estão na matriz mintocondrial, exceto a succinato desidrogenase que está presente na membrana interna da mitocôndria.
Reação para entrada de piruvato no CK:
A PDH (exclusiva na matriz) catalisa a decarboxilação oxidatva do piruvato formando ACoA, CO2 e NADH (1 mol de cada molécula para cada piruvato).
!ASPECTO CLÍNICO! Ausência de PDH é uma das mais comuns desordens neurodegenerativas associadas com o metabolismo mitocondrial anormal que podem levar ataxia, atraso psicomotor e a morte em casos mais severos. Sintomas como letargia severa, taquipneia são frequentes relacionados ao acúmulo de lactato.
b) Reações no CK:
ACoA e oxaloacetato se condensam pela atividade da citrato sintase para formar citrato. O citrato é um inibidor dessa reação.
Citrato é isomerado pela aconitase para formar isocitrato.
Isocitrato é convertido para alfa-cetoglutarato pela isocitrato desidrogenase (ativada por ADP e inibida por NADH), produzindo CO2 (primeira descarboxilação) e NADH + H+.
Alfa-cetoglutarato é convertido para succinil CoA pela alfa-cetoglutarato desidrogenase, liberando CO2 (segunda descarboxilação), e NADH + H+.
Succinil CoA é clivado para succinato pela succinato sintetase. Esse processo leva a fosforilação do GDP (difosfato de guanosina) para GTP (trifosfato de guanosina). Como não envolve a cadeia transportadora de elétrons, esse processo não é uma fosforilação oxidativa.
Succinato é oxidado para fumarato pela succinato desidrogenase (presente na membrana interna da mitocôndria) que transfere dois prótons e dois elétrons para FAD, formando FADH2. 
Fumarato é convertido para malato pela fumarase, pela adição de água.
Malato é oxidado pela malato desidrogenase, regenerando OAA e produzindo NADH + H+.
Produção de ATP no CK:
A NADH e FADH2 produzidas no CK doam elétrons para a cadeia de transporte de elétrons.
2 moles de piruvato entram na mitocôndria e são convertidos para 2 moles de ACoA, produzindo 2 moles de NADH que gera 5 moles de ATP na fosforilação oxidativa; 2 moles de ACoA são oxidados no CK gerando 20 moles de ATP (2 na conversão de GTP+ADP para ATP e 18 na fosforilação oxidativa a partir de 6NADH e 2FADH). Para cada NADH são produzidos 2,5 moles de ATP na fosforilação oxidativa e para cada FADH2, 1,5 moles são produzidos.
O total de energia gerado para cada volta do CK é de 10 moles de ATP ou 20 moles de ATP para cada mol de glicose.
Funções do CK:
Além de gerar ATP, CO2, NADH e FADH2, o CK produz intermediários para produção de glicose no fígado (jejum) ou síntese de ácidos graxos(alimentado) e, também produzem aminoácidos.
Produção de intermediários do CH a partir de aminoácidos (aac):
Glutamato é convertido em alfa-cetoglutarato. Os aac que formam glutamato incluem glutamina, prolina, argenina e histidina.
Aspartato é transaminado para OAA.
Valina, iloleucina, metionina e treonina produzem propionil CoA que é convertido para metilmalonil CoA e subsequentemente para succinil CoA.
Fenilalanina, tirosina e aspartato formam fumarato.
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
1. Considerações gerais: 
a. A NADH e FADH2 produzidas pela glicólise/glicogenólise, beta-oxidação dos ácidos graxos, CK e outras reações oxidativas transferem elétrons para os componentes da cadeia respiratória. 
b. NADH e FADH2 transferem seus elétrons para o complexo I e II respectivamente. 
c. Durante a transferência de elétrons, alguma energia é perdida na forma de calor.
2. Transferência de elétrons (resumo da reação)
a. NADH transfere seus elétrons para a flavina mononucleotídeo (FMN) que transfere para a Ubiquinona (coezima Q). A CoQ recebe os elétrons da FMN e também da FADH2 e transfere para o citocromo onde resultada na formação de água a partir do oxigênio e H+.
3. Três principais etapas do transporte de elétrons
Primeiro: NADH para CoQ (NADH-ubiquinona oxirredutase, complexo I)
A NADH transfere elétrons via complexo NADH desidrogenase para FMN.
A FNM transfere elétrons para CoQ via um complexo de proteínas Fe-S. A CoQ aceita um elétrons por vez formando primeiro uma semiquinona e depois um ubiquinol.
A energia produzida por essa transferência é usada para lançar os prótons de hidrogênio para o espaço intramembrana.
d. Observação: Elétrons da FADH2 também são transferido para CoQ (complexo II-III)
!ASPECTO CLÍNICO! Mutações dos genes do complexo NADH-ubiquinona oxirredutase resulta em encelopatias, acidose láctica e AVC.
Segundo: CoQ para citocromo c
A CoQ transfere eletrons através dos centros Fe-S para o citocromo b e C1 (complexo III). A enzima envolvida nesse processo é a citocromo c redutase.
A energia produzida por essa transferência é usada para lançar os prótons de hidrogênio para o espaço intramembrana.
Elétrons a partir da FADH2 (complexo II-III)
!ASPECTO CLÍNICO! Pacientes com desordens no mtDNA (neuropatia optica hereditária de leber – LHON) apresentam mutações no gene da citocromo redutase.
Terceiro: citocromo c para oxigênio (complexo IV)
a. Citocromo c transfere para o complexo IV que transfere para o oxigênio molecular formando água, numa reação catalisada pela citocromo c oxidase.
b. Dois eletrons sõ necessáriospara reduzir um átomo de Oxigênio. Assim, para cada NADH que é oxidada, meio mole de O2 é convertido em água.
c. A energia produzida por essa transferência é usada para lançar os prótons de hidrogênio para o espaço intramembrana.
4. Produção de ATP
a. Os elementos da CTE transferem eletrons a partir dos completo I ao IV, o que promove um potencial eletroquímico.
b. O potencial eletroquímico consiste a partir de um potencial de membrana e do gradiente de pH. O espaço intramembrana é mais ácido do que a matriz.
c. Os prótons retornam para a matriz pelo complexo ATP sisntase (complexo V, Fo-F1/ATPase), produzindo ATP.
A membrana interna é impermeável para prótons.
O FO (F de fase e O de oligomicina) forma um canal de prótons na membrana.
O F1, ligada a FO é o local de síntese do ATP, projetada para matriz. A mudança conformacional dessa região por uma energia eletroquímica gerada pela passagem de prótons, faz com que o ADP seja fosforilado (Pi), gerando moléculas de ATP.
4 moles de prótons são necessários passar pela ATP sintase para produzir 1 mol de ATP.
d. Para cada mole de NADH que é oxidado, meio mole de oxigênio é reduzido para água e 2,5 moles de ATP são produzidos. Isso porque 10 prótons são transferidos a partir da NADH para a ATP sintase.
e. Para cada mole de FADH2 que é oxidado, 1,5 moles de ATP são gerados. Como os elétrons da FADH2 entram na cadeia a partir da CoQ, um estágio a menos do que a NADH, 6 prótons são retornam a matriz pela ATP sintase.
PRODUÇÃO DE ATP - GLICOSE
a) 1 mol de glicose gera 2 moles de piruvato.
b) 2 moles de ATP são usados na glicólise e 4 moles de ATP são produzidos, além de 2 moles de NADH citosólica.
c) Se a NADH gerada pela glicólise é usada para reduzir o lactato à piruvato, a produção total é de 2 moles de ATP por mole de glicose convertido a lactato.
d) Se a glicose é oxidada completamente para H2O e CO2, 30 ou 32 moles de ATP são gerados*: 2 moles de ATP e 2 moles de NADH são gerados a partir da conversão de 1 mol de glicose para 2 moles de piruvato (glicólise); 2 moles de piruvato entram na mitocôndria e são convertidos para 2 moles de ACoA, produzindo 2 moles de NADH; 2 moles de ACoA são oxidados no CK 6 moles de NADH e 2 moles de FADH e ainda 2 GTP (GTP+ADP=ATP + Pi). 
*Importante! A NADH produzida pela glicólise não consegue atravessar a membrana mitocondrial e para isso acontecer 2 sistemas de transportes são ativados: a) A DHAP (dihidroxiacetona fosfato) é reduzido à glicerol 3-fosfato pela NADH e reage com a FAD no interior da mitocôndria formando FADH2. Com isso a DHAP é regenerada e volta para o citosol. Nesse caso 3 moles de ATP são produzidos para os 2 moles de NADH da glicólise. Outro sistema de transporte é o malato-aspartato. No citosol o OAA é reduzido para malato pela NADH. O malato entra na mitocôndria e é reoxidado para OAA, gerando NADH. Como o OAA não atravessa a membrana, o OAA é transaminado para aspartato que é transportado para o citosol onde regenera o OAA outra reação de transaminação. Nesse sistema 5 moles de ATP são produzidos para os 2 moles de NADH da glicólise.
Quadro representativo da produção de ATP a partir da Glicose
	Sequência de Reações
	Produção de ATP
	1. Glicólise: glicose-piruvato
	Fosforilação da glicose para glicose 6-fosfato (hexocinase)
	-1
	Fosforilação da Frutose 6-fostato para frutose 1,6-difosfato (fosfofrutoquinase)
	-1
	Formação de 2 moles de NADH (gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase)
	
	Desfosforilação da 1,3-disfosfoglicerato para 3-fosfoglicerato (fosfoglicerato quinase)
	+2
	Desfosforilação da fosfoenolpiruvato para pituvato (piruvato quinase)
	+2
	2. Piruvato – AcoA (mitocôndria)
	Formação de 2 moles de NADH (piruvato desidrogenase)
	
	3. Ciclo de Krebs
	2 moles de GTP são formados a partir da succil CoA (succinil CoA sintetase) 
	+2
	Formação de 6 moles de NADH (IDH, ACDH, MDH) e 2 moles de FADH2 (succinil CoA sintetase)
	
	4. Cadeia transportadores de elétrons
	Transferência de elétrons de 2 moles de NADH formadas a partir da oxidação de 2 moléculas de gliceraldeído 3- fosfato – glicólise, usando o sistema de transporte glicerol-fosfato ou malato-aspartato 
	+3/+5 *
	Transferência de elétrons de 2 moles de NADH formadas na oxidação de 2 moléculas de piruvato - CK
	+5
	Transferência de elétrons de 2 moles de NADH formadas na oxidação de 2 moléculas de isocitrato - CK
	+5
	Transferência de elétrons de 2 moles de NADH formadas na oxidação de 2 moléculas de alfa-cetoglutarato - CK
	+5
	Transferência de elétrons de 2 moles de NADH formadas na oxidação de 2 moléculas de malato - CK
	+5
	Transferência de elétrons de 2 moles de FADH formadas na oxidação do 2 moléculas de succinato-CK
	+3
	PRODUÇÃO TOTAL
	30/32
Observações: 1) Se o produto a ser oxidado for o glicogênio, a produção tototal de ATP aerobicamente será 31/33, pois não há gasto de ATP pela atividade do glicogênio fosforilase. 2) Alguns autores consideram que a transferência de elétrons a partir de 1 molécula de NADH produz 3 moles de ATP e a partir da FADH2, 2 moles de ATP. Com isso a produção final de ATP seria 38 (glicose) ou 39 (glicogênio).