Ciclo do Ácido Cítrico - Produção de ATP

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CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO
Profa. Maria Rosa Chitolina 
Capítulo 16 Lehninger
Universidade Federal de Santa Maria
Centro de Ciências Naturais e Exatas
Departamento de Química
Setor de Bioquímica
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Introdução
Obtenção de energia (ATP) pelas células: 
Anaeróbia
Aeróbia
Fermentação
Piruvato
lactato
etanol
Respiração
Piruvato
CO2
H2O
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Molécula de ATP
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Introdução
Consumo de O2 e formação de CO2 pelas células 
			
	
RESPIRAÇÃO CELULAR
1º Formação de acetil-CoA a partir da oxidação dos combustíveis orgânicos: glicose, ácidos graxos e alguns aminoácidos.
2º Oxidação do acetil-CoA, através do ciclo do ácido cítrico.
3º Transferência de elétrons e fosforilação oxidativa.
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Introdução
RESPIRAÇÃO: + complexa que a glicólise
Processo evolucionário: surgiu após o aparecimento das cianobactérias
[O2] na atmosfera da Terra
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Produção do Acetil-CoA (acetato ativado)
Glicose e outros açúcares
Ácidos graxos
Maioria aminoácidos
CO2 e H2O
CICLO DO 
ÁCIDO CÍTRICO
Acetil-CoA
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Reações do Ciclo do Ácido Cítrico
Ciclo do ácido cítrico  papel central nos mecanismos metabólicos de obtenção e preservação de energia.
Intermediários com 4 e 5 C são empregados como precursores biossintéticos.
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TRANSPORTADORES DE ELÉTRONS
NADH
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FADH2
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Reações do Ciclo do Ácido Cítrico
1948 
Eugene Kennedy
Albert Lehninger
Ciclo do ácido cítrico  Eucariotos 
 MITOCÔNDRIA
Enzimas
Coenzimas
Enzimas
Proteínas
Ciclo do ácido cítrico
Fosforilação oxidativa
Enzimas
Degradação de ác. Graxos
em acetil-CoA;
Degradação oxidativa dos
aa em acetil-CoA,
α-cetoglutarato,
succinil-CoA ou
oxaloacetato
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O ciclo do ácido cítrico tem 8 passos
1º Formação do citrato
 
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O ciclo do ácido cítrico tem 8 passos
O carbono metila do grupo acetil é reunido ao grupo carbonila (C-2) do oxaloacetato.
No sítio ativo da enzima é formado o intermediário transitório citroil-CoA, que rapidamente é hidrolisado liberando o citrato e a CoA livre.
A hidrólise do tioéster intermediário faz com que a reação seja altamente exergônica nesse sentido.
A CoA livre é reciclada, podendo participar na descarboxilção oxidativa de outra molécula de piruvato pelo complexo da PDH. 
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O ciclo do ácido cítrico tem 8 passos
O oxaloacetato, o 1º substrato a ligar-se na enzima, induz uma mudança conformacional no domínio flexível e faz aparecer um sítio de ligação para o segundo substrato, o acetil-CoA.
Oxaloacetato
Análogo do 
acetil-CoA
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O ciclo do ácido cítrico tem 8 passos
2º Formação do isocitrato via cis-aconitato
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O ciclo do ácido cítrico tem 8 passos
A aconitase pode promover a adição reversível de água na dupla ligação do cis-aconitato por 2 caminhos diferentes: um levando a citrato e o outro a isocitrato.
A reação é deslocada para a direita  isocitrato é consumido rapidamente, diminuindo a [ ] de equilíbrio estacionário.
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O ciclo do ácido cítrico tem 8 passos
A aconitase (aconitase hidratase) contém um centro ferro-enxofre que atua tanto na ligação do substrato no sítio ativo quanto na catálise da adição ou remoção de água.
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O ciclo do ácido cítrico tem 8 passos
3º Transformação do Isocitrato a α-cetoglutarato 
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O ciclo do ácido cítrico tem 8 passos
O Mn2+ no sítio ativo interage com o grupo carbonila do produto intermediário, o oxalossuccinato, que é formado de forma transitória mas não abandona o sítio de ligação até que ocorra a descarboxilação.
O Mn2+ também estabiliza o enol formado transitoriamente pela descarboxilação. 
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ISOCITRATO DESIDROGENASE
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O ciclo do ácido cítrico tem 8 passos
4º Oxidação do α-cetoglutarato a succinil-CoA e CO2
 
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O ciclo do ácido cítrico tem 8 passos
O NAD+ serve como receptor de elétrons.
O CoA serve como carregador do grupo succinil.
O complexo da α-cetoglutarato desidrogenase assemelha-se muito, em estrutura e função, ao complexo da piruvato desidrogenase (E1, E2, E3). No entanto suas sequencias de aa são diferentes e têm especificidades de ligação diferentes. 
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O ciclo do ácido cítrico tem 8 passos
5º Conversão do succinil-CoA em succinato
 
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O ciclo do ácido cítrico tem 8 passos
A energia liberada no rompimento da ligação tioéster do succinil-CoA é empregada na síntese de uma ligação de anidrido fosfórico no ATP ou no GTP.
Em um passo intermediário, a molécula da enzima é fosforilada em um resíduo de histidina específico presente no sítio ativo.
A síntese de ATP (ou GTP) é outro exemplo da fosforilação ao nível de substrato. 
O ATP e o GTP são energeticamente equivalentes.
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O ciclo do ácido cítrico tem 8 passos
6º Oxidação do succinato a fumarato
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O ciclo do ácido cítrico tem 8 passos
7º Hidratação do fumarato a malato
 
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O ciclo do ácido cítrico tem 8 passos
A fumarase (fumarato hidratase) é altamente estereoespecífica; ela catalisa a hidratação da dupla ligação trans do fumarato, porém não é capaz de agir no maleato (o isômero cis do fumarato).
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O ciclo do ácido cítrico tem 8 passos
8º Oxidação do malato a oxaloacetato
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O ciclo do ácido cítrico tem 8 passos
Embora o equilíbrio dessa reação esteja deslocado para a esquerda sob condições termidinâmicas-padrão, a contínua remoção do oxaloacetato pela citrato sintase (passo 1), desloca a reação da malato desidrogenase na direção de formação de oxaloacetato.
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A energia de oxidação é eficientemente conservada no ciclo
2 C entram no ciclo – grupo acetil.
2 C saem do ciclo – CO2 – oxidações.
A energia liberada por essas oxidações
redução de 3 NAD+ e 1 FADH
síntese de uma molécula de ATP ou GTP.
1 molécula de oxaloacetato regenerada
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A energia de oxidação é eficientemente conservada no ciclo
Produção de ATP  1 molécula por volta
Oxidações do ciclo  grande fluxo de elétrons para a cadeia respiratória, através de NADH e FADH2.
Grande número de
moléculas de ATP
Fosforilação 
oxidativa
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Por que a oxidação do acetato é tão complicada?
CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO
Via do centro do
metabolismo
intermediário
Sua função não 
está confinada à
oxidação do 
acetato
Produtos finais com 
4 e 5 C de muitos 
processos metabólicos 
são lançados no ciclo 
para serem utilizados 
como combustível
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Por que a oxidação do acetato é tão complicada?
Ciclo do ác. cítrico: não é a vida mais curta entre o acetato e o CO2.
Ao longo do tempo  vantagem seletiva
Organismos anaeróbios 
	Processos biossintéticos
Hoje: 
fonte de precursores de biossíntese; 
Fermentação (reação inversa  não-oxidativa) 
Reações do ciclo do
acido cítrico
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Os componentes do ciclo do ácido cítrico são intermediários biossintéticos importantes
Não funciona apenas no catabolismo oxidativo de carboidratos, ácidos graxos e aminoácidos, mas também fornece precursores para muitas vias biossintéticas.
Ciclo do ácido cítrico
VIA ANFIBÓLICA
Serve tanto para processos
catabólicos quanto anabólicos
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As reações anapleróticas repõem os intermediários do ciclo do ácido cítrico
Reações anapleróticas:
Reações que permitem um estado de equilíbrio dinâmico entre a transferência dos intermediários do ciclo do ácido cítrico para outras vias e o seu fornecimento. Assim, as concentrações dos intermediários do ciclo do ácido cítrico permanecem quase que constantes. 
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As reações anapleróticas repõem os intermediários do ciclo do ácido cítrico
A reação anaplerótica mais importante nos tecidos hepático e renal de mamíferos é a carboxilação reversível do piruvato por CO2, para formar oxaloacetato, catalisada pela piruvato carboxilase.
Quando o ciclo do ác. cítrico está deficiente em oxaloacetato ou em qualquer outro dos seus intermediários.
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Na piruvatocarboxilase a biotina transporta grupos CO2
Piruvato carboxilase  BIOTINA – papel chave nas reações de carboxilação.
Os grupos carboxila são ativados em uma reação que quebra o ATP e une o CO2 à biotina ligada na enzima.
O CO2 “ativado” é, então, passado para um receptor (piruvato) em uma reação de carboxilação.
Biotina
Transportador especializado de grupos
com um átomo de carbono na sua
forma mais oxidada: CO2
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Regulação do Ciclo do Ácido Cítrico
			efetores alostéricos
Enzimas-chave
			 modificação covalente
OBJETIVOS:
produzir intermediários e produtos
manter a célula em um estado estacionário
evitar a superprodução e desperdício dos intermediários
		
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Regulação do Ciclo do Ácido Cítrico
Fluxo de C do piruvato para e através do ciclo do ácido cítrico:
1º nível – Conversão de piruvato em acetil-Coa
2º nível – Entrada de acetil-CoA no ciclo
Obtenção de intermediários de outras vias.
Reações da isocitrato desidrogenase e da α-cetoglutarato desidrogenase.
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A produção de acetil-CoA pelo complexo da piruvato desidrogenase é regulada por mecanismos alostéricos e covalentes
ATP						* AMP
Acetil-CoA					* CoA
NADH					* NAD+
Ác. graxos
Complexo da PDH
Inibidores
alostéricos
Produtos da reação
Ativadores
alostéricos
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O ciclo do ácido cítrico é regulado na altura de seus três passos exergônicos
3 fatores governam a velocidade do fluxo metabólico através do ciclo do ác. cítrico:
Disponibilidade de substratos;
Modulação negativa por acúmulo de produtos;
Modulação alostérica negativa retroativa das 1ªs enzimas do ciclo.
3 passos do ciclo são fortemente exergônicos:
citrato sintase;
isocitrato desidrogenase;
α-cetoglutarato desidrogenase.
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O ciclo do ácido cítrico é regulado na altura de seus três passos exergônicos
Disponibilidade de substrato (acetil-CoA e oxaloacetato) pode limitar a velocidade de formação do citrato.
Grande [NADH] inibe as duas reações de desidrogenação (oxidação do citrato e do α-cetoglutarato).
Acumulação de produtos inibe os três passos limitantes do ciclo: o succinil-CoA inibe a α-cetoglutarato desidrogenase; o citrato bloqueia a citrato sintase; o produto final ATP inibe ambas: citrato sintase e isocitrato desidrogenase.
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