resumo Ciclo do Ácido Cítrico e Fosfotilação Oxidativa

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Faculdade de Ciências
Disciplina: Bioquímica
Resumo: Ciclo do Ácido Cítrico e Fosforilação Oxidativa
Professor: Valdecir Farias Ximenes
Aluna:	Carolina Torquetti						RA: 141020717
6º Semestre
8 de fevereiro de 2017
Respiração Celular
A respiração celular acontece em três estágios principais. No primeiro, moléculas combustíveis orgânicas – glicose, ácidos graxos e alguns aminoácidos – são oxidadas para produzirem fragmentos de dois carbonos, na forma do grupo acetil da acetil-coenzima A (acetil-CoA). No segundo estágio, os grupos acetil entram no ciclo do ácido cítrico, que os oxida enzimaticamente a CO2; a energia liberada é conservada nos transportadores de elétrons reduzidos NADH e FADH2. No terceiro estágio da respiração, estas coenzimas reduzidas são oxidadas, doando prótons (H+) e elétrons. Os elétrons são transferidos ao O2 – o aceptor final de elétrons – por meio de uma cadeia de moléculas transportadoras de elétrons, conhecida como cadeia respiratória. No curso da transferência de elétrons, a grande quantidade de energia liberada é conservada na forma de ATP, por um processo chamado de fosforilação oxidativa.
Ciclo do Ácido Cítrico
Antes de entrarem no ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs, ciclo do ácido tricarboxílico [TCA]), os esqueletos de carbono dos açúcares e ácidos graxos são convertidos ao grupo acetil da acetil-CoA, a forma na qual a maioria dos combustíveis entra no ciclo. O piruvato, derivado da glicose e de outros açúcares pela glicólise, é oxidado em um processo de oxidação irreversível chamado de descarboxilação oxidativa a acetil-CoA e CO2 pelo complexo da piruvato-desidrogenase (PDH, de pyruvate dehydrogenase), localizado nas mitocôndrias de células eucarióticas e no citosol de bactérias.
A reação geral o grupo carboxil é removido do piruvato na forma de uma molécula de CO2, e os dois carbonos remanescentes são convertidos ao grupo acetil da acetil-CoA. O NADH formado nessa reação doa um íon hidreto (:H-) para a cadeia respiratória, que transferirá os dois elétrons ao oxigênio ou, em microrganismos anaeróbios, a um aceptor de elétrons alternativo, como nitrato ou sulfato. A transferência de elétrons do NADH ao oxigênio gera, ao final, 2,5 moléculas de ATP por par de elétrons.
O ciclo do ácido cítrico é uma série de oito reações sucessivas que oxidam completamente substratos orgânicos, como carboidratos, ácidos graxos e aminoácidos para formar CO2, H2O e coenzimas reduzidas NADH e FADH2. 
Reação 1 - Formação do citrato. A primeira reação do ciclo é a condensação de acetil-CoA e oxaloacetato para a formação do citrato, catalisada pela citrato-sintase – NAD+ dependente - formando no sítio ático dessa o intermediário Citroil-CoA que é rapidamente hidrolisado em CoA livre e citrato, que são liberados do sítio ativo em uma reação direta altamente exergônica.
Reação 2 – Formação de isocitrato via cis-aconitato. A enzima aconitase (mais formalmente, aconitato-hidratase) catalisa a transformação reversível do citrato a isocitrato, pela formação intermediária do ácido tricarboxílico cis-aconitato, o qual normalmente não se dissocia do sítio ativo. A aconitase contém um centro de ferro-enxofre, que atua tanto na ligação do substrato ao sítio ativo quanto na adição ou na remoção catalítica de H2O.
Reação 3 – Oxidação do isocitrato a a-cetoglutarato e CO2. A isocitrato-desidrogenase catalisa a descarboxilação oxidativa do citrato para formar a-cetoglutarato. A enzima necessita Mg2+ e é ativada pelo ADP e inibida pelo ATP e NADH.
Reação 4 – Oxidação do a-cetoglutarato a succinil-CoA e CO2. Essa descarboxilação oxidativa, converte o a-cetoglutarato a succinil-CoA e CO2 pela ação do complexo da a-cetoglutarato-desidrogenase; NAD+ é o aceptor de elétrons e CoA é o transportador do grupo succinil. A energia da oxidação do a-cetoglutarato é conservada pela formação da ligação tioéster da succinil-CoA.
Reação 5 - Conversão de succinil-CoA a succinato. A succinil-CoA-sintetase ou succinato-tiocinase hidrolisa a ligação tioéster de “alta energia” da succinil-CoA para formar succinato. A energia liberada é conservada como trifosfato de guanosina (GTP) produzida a partir de GDP + Pi, em uma fosforilação ao nível do substrato. O teor energético do GTP é equivalente ao do ATP.
Reação 6 - Oxidacao do succinato a fumarato. O succinato é oxidado pela flavoproteína succinato-desidrogenase. Essa enzima necessita de flavina adenina dinucleotídio (FAD) ligada covalentemente. A oxidação do succinato forma fumarato e FADH2.
Reação 7 – Hidratação do fumarato a malato. A hidratação reversível do fumarato a L-malato é catalisada pela fumarase (formalmente, fumarato-hidratase) que é estereoespecífica. O estado de transição dessa reação é um carbânion. Nessa reação há a formação do terceiro NADH.
Reação 8 – Oxidação do malato a oxaloacetato. A L-malato-desidrogenase ligada ao NAD+ catalisa a oxidação de L-malato a oxaloacetato.
Para cada acetil-CoA oxidada pelo ciclo do ácido cítrico, o ganho de energia consiste em três moléculas de NADH, uma de FADH2 e um nucleosídeo trifosfatado (ATP ou GTP).
O ciclo do ácido cítrico é anfibólico, servindo ao catabolismo e ao anabolismo; os intermediários do ciclo podem ser desviados e utilizados como material de partida para diversos produtos da biossíntese. Quando os intermediários são desviados para outras vias, eles são repostos por algumas reações anapleróticas, que produzem intermediários de quatro carbonos por meio da carboxilação de compostos de três carbonos; essas reações são catalisadas por piruvato-carboxilase, PEP-carboxicinase, PEP-carboxilase e enzima málica. Enzimas que catalisam carboxilações comumente utilizam a biotina para ativar o CO2 e transportá-lo a aceptores, como piruvato ou fosfoenolpiruvato. Um exemplo de reações anapleróticas é a carboxilação reversível do piruvato pelo CO2 para a formação de oxaloacetato, catalisada pela piruvato-carboxilase no fígado e nos rins de mamíferos.
A velocidade global do ciclo do ácido cítrico é controlada por três fatores: disponibilidade de substrato, inibição pelos produtos acumulados e inibição alostérica por retroalimentação das enzimas que catalisam as etapas iniciais do ciclo. Sendo esses a taxa de conversão do piruvato a acetil-CoA e pelo fluxo pelas enzimas citrato-sintase, isocitrato-desidrogenase e a-cetoglutarato-desidrogenase. Esses fluxos são determinados pelas concentrações dos substratos e dos produtos: os produtos finais ATP e NADH são inibidores, e os substratos NAD+ e ADP são estimuladores.
A produção de acetil-CoA para o ciclo do ácido cítrico pelo complexo da PDH é inibida alostericamente pelos metabólitos que sinalizam a suficiência de energia metabólica (ATP, acetil-CoA, NADH e ácidos graxos), sendo estimulada pelos metabólitos que indicam um suprimento de energia reduzido (AMP, NAD+, CoA).
Fosforilação Oxidativa
Fosforilação oxidativa é a culminação do metabolismo produtor de energia em organismos aeróbios. Todos os passos oxidativos na degradação de carboidratos, gorduras e aminoácidos convergem para esse estágio final da respiração celular, onde a energia da oxidação governa a síntese de ATP. O entendimento atual sobre a síntese de ATP em mitocôndrias e cloroplastos tem como base a hipótese a teoria quimiosmótica de que as diferenças transmembrana na concentração de prótons servem de reservatório para a energia extraída das reações biológicas de oxidação.
As mitocôndrias são centrais para as funções neuronal e muscular e para a regulação do metabolismo energético do corpo como um todo e do peso corporal, possuindo não somente produção de ATP como única função; essa organela também age na termogênese, síntese de esteroides e apoptose (morte celular programada). Defeitos na função mitocondrial levam a doenças humanas neurodegenerativas, assim como câncer, diabetes e obesidade, e uma teoria de envelhecimento baseia-se na perda gradual da integridade mitocondrial. Sua estrutura compreende em (1) uma membrana mitocondrial externa prontamentepermeável a moléculas pequenas e a íons, que se movem livremente por canais transmembrana, formados por uma família de proteínas integrais de membrana chamadas de porinas; (2) uma membrana interna impermeável à maioria das moléculas pequenas e dos íons, incluindo prótons (H+), o cruzamento na membrana se faz por meio de transportadores específicos.
A fosforilação oxidativa começa com a entrada de elétrons na cadeia de carregadores de elétrons, chamada de cadeia respiratória. A maioria desses elétrons surge da ação das desidrogenases, que coletam elétrons das vias catabólicas e os canalizam para aceptores universais de elétrons – nucleotídeos de nicotinamida (NAD+ ou NADP+) ou nucleotídeosde flavina (FMN ou FAD). Ocorrem três tipos de transferência de elétrons na fosforilação oxidativa: (1) transferência direta de elétrons, como na redução de Fe3+ a Fe2+, (2) transferência na forma de um átomo de hidrogênio (H+ 1 e), e (3) transferência como um íon hidreto (:H), que tem dois elétrons. O termo equivalente redutor é usado para designar um único elétron equivalente transferido em uma reação de oxidação-redução.
Os complexos I e II catalisam a transferência de elétrons para a ubiquinona (Q) a partir de dois doadores de elétrons diferentes: NADH (complexo I) e succinato (complexo II). O glicerol-3-fosfato doa elétrons a uma flavoproteína (glicerol-3-fosfato-desidrogenase) na face externa da membrana mitocondrial interna, de onde eles passam para Q. O complexo III carrega elétrons da ubiquinona reduzida para o citocromo c (proteína com absorção de luz visível, perto de 550 nm, devido ao grupo heme) com o transporte vetorial de prótons da matriz para o espaço intermembrana, e o complexo IV completa a sequência, transferindo elétrons do citocromo c para o O2, reduzindo-o a H2O.
Complexo I: NADH a ubiquinona. O complexo I, também chamado de NADH: ubiquinona-oxidorredutase ou NADH-desidrogenase, tem formato de L e catalisa a reação que pode ser expressa por:
NADH + 5 H+ + Q	 NAD+ + QH2 + 4 H+
Complexo II: succinato a ubiquinona. O complexo II é o succinato-desidrogenase, Os elétrons do succinato passam por uma flavoproteína com o cofator FAD e de vários centros Fe-S (proteína ferro-enxofre) a caminho de Q.
Complexo III: ubiquinona para citocromo c. O complexo III, também é chamado de complexo de citocromo bc1 ou ubiquinona: citocromo c-oxidorredutase. A equação resultante para as reações redox do ciclo Q é
QH- + 2 cit c1 (oxidado) + 2 H+	 Q + 2 cit c1 (reduzido) + 4 H+
Complexo IV: citocromo c para O2. O complexo IV, também é chamado de citocromo-oxidase. A reação geral que esse catalisa é
4 cit c (reduzido) + 8H+ + O2		 4 cit c (oxidado) + 4H+ + 2H2O
Esta redução do O2 por quatro elétrons envolve centros redox que carregam apenas um elétron por vez devido ao fato de o O2 ser triplete e para que uma reação aconteça é necessário transformá-lo em singlete ou adicionar um elétron de spin oposto de cada vez. Se não adicionados um de cada vez ocorre a liberação do intermediário radical •Q-. O •Q- pode, com baixa probabilidade, passar um elétron ao O2 na reação:
O2 + e-		 •O2- 
O radical livre superóxido assim gerado é altamente reativo; sua formação também leva à produção do radical livre hidroxila, •OH, ainda mais reativo. Para impedir o dano oxidativo induzido pelo •O2-, as células têm diversas formas da enzima superoxido-dismutase, que catalisa a reação
2 •O2- + 2H+	 H2O2 + O2
O peróxido de hidrogênio assim gerado torna-se inofensivo pela ação da glutationa-peroxidase que recicla a glutationa oxidada em sua forma reduzida, usando elétrons do NADPH gerado pela nicotinamida-nucleotídeo-transidrogenase (na mitocôndria) ou pela via das pentoses-fosfato.
Todo o processo resulta em estocagem de energia convertendo a energia potencial química (devido à diferença de concentração de uma espécie química (H+) nas duas regiões separadas pela membrana) em energia potencial elétrica (resultante da separação de cargas quando um próton se move através da membrana sem um contra-íon), formando uma “pilha” e depois na conversão da energia potencial em energia química novamente. Sendo a energia estocada chamada de força proton-motriz. 
O fluxo de elétrons pelos complexos I, III e IV resulta no bombeamento de prótons através da membrana mitocondrial interna, que fornece a energia (na forma de força próton-motriz) para a síntese de ATP a partir de ADP e Pi pela ATP-sintase (complexo FoF1). A razão entre ATP sintetizado por ½O2 reduzido e H2O (a razão P/O) é de cerca de 2,5 quando os elétrons entram na cadeia respiratória no complexo I, e 1,5 quando os elétrons entram na ubiquinona. A fosforilação oxidativa é regulada pelas demandas energéticas celulares.
4.0 Fontes
CAMPBELL, M. K. Bioquímica. 3. Ed. Porto Alegre: Artmed, 2005.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de bioquímica de Lehninger. 6. Ed. Porto Alegre: Artmed, 2014.