Aula 03 Bioq II 2014-01 - Ferment e Krebs

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UENF, CBB, LQFPP
Prof. Gustavo Rezende
Bioquímica II – Metabolismo
3ª aula: Fermentação e Ciclo do ácido cítrico
(destinos do piruvato)
Glicólise: Transformação de 1 glicose em 2 piruvatos, através de 10 
reações enzimáticas. Fase preparatória e de pagamento.
Glicose
C6H12O6
2 Piruvatos
2x C3H3O3 
(C6H6O6)
O que vimos na última aula:
Hexoquinase
Fosfoexose
isomerase
Fosfofruto
quinase-1
Aldolase
Triose 
fosfato 
isomerase
Gliceraldeído
3-fosfato 
desidrogenase
Fosfoglicerato 
quinase
Enolase
Piruvato
quinase
Fosfoglicerato 
mutase
oxidação e 
fosforilação
primeira reação 
formadora de ATP 
(fosforilação no 
nível de substrato)
segunda reação 
formadora de ATP 
(fosforilação no 
nível de substrato)
Glicólise: Transformação de 1 glicose em 2 piruvatos, através de 10 
reações enzimáticas. Fase preparatória e de pagamento.
Enzimas regulatórias, fluxo limitado pela enzima. No caso da glicólise: 
HK, PFK-1 e PK.
O fluxo de algumas etapas metabólicas é limitada pelo substrato. Em 
outros casos, o fluxo de determinada etapa metabólica é limitada pela 
enzima (passo limitante da velocidade da via).
O que vimos na última aula:
Balanço geral da Glicólise:
O que vimos na última aula:
Reação da gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase
(6a reação da glicólise)
O que vimos na última aula:
Aula de hoje:
Os destinos do piruvato
2 NAD+ 2 NADH
Glicose 2 Piruvato
Os destinos do piruvato:
O NADH precisa, de alguma forma, se transformado de novo em 
NAD+. 
Se não, o estoque de NAD+ da célula é consumido, e a glicólise 
para...
2 NAD+ 2 NADH
Glicose 2 Piruvato
Os destinos do piruvato:
?? 
Sistemas em aerobiose (com O2) e anaerobiose (sem O2) resolvem 
esse problema de formas distintas... 
... respectivamente via ciclo de Krebs (que produz ainda mais 
energia) ou pela fermentação.
Os destinos do piruvato:
condições 
aeróbicas
ciclo de 
Krebs e 
fosforilação 
oxidativa
Animais, vegetais e muitas 
células microbianas sob 
condições aeróbicas
2CO2
O2
Os destinos do piruvato:
condições 
aeróbicas
2CO2
condições 
anaeróbicas
condições 
anaeróbicas
Fermentação até
lactato
Fermentação até etanol
O2
Animais, vegetais e muitas 
células microbianas sob 
condições aeróbicas
ciclo de 
Krebs e 
fosforilação 
oxidativa
Os destinos do piruvato:
condições 
anaeróbicas
condições 
anaeróbicas
Fermentação até
lactato
Fermentação até etanol
Fermentação é o termo genérico para a degradação anaeróbica da glicose e 
outros nutrientes, sem oxidação líquida, para obtenção de ATP.
Existem outros processos fermentativos (além da fermentação alcoólica e 
láctica), que geram diversos produtos (butanol e acetona, metanol, ácido 
fórmico, isopropanol, etc). 
Algumas dessas fermentações são realizadas em escala industrial.
Fermentação Láctica:
lactato
desidrogenase
A enzima lactato desidrogenase forma ácido lático que em pH 7,0 prontamente 
se ioniza em lactato.
2 NAD+
Glicose 2 Piruvato
2 NADH
Fermentação Láctica:
lactato
desidrogenase
2 NAD+
Glicose 2 Piruvato
2 Lactato
2 NADH
Fermentação Láctica:
Enzima: lactato desidrogenase
lactato
desidrogenase
2 NAD+
Glicose 2 Piruvato
2 Lactato
2 NADH
Fermentação Láctica:
C6H12O6
C3H6O3
lactato
desidrogenase
Enzima: lactato desidrogenase
sem oxidação 
líquida!
No nosso organismo, ocorre no músculo em contração vigorosa, 
em hemácias e outras células dos animais. Também ocorre em 
alguns microorganismos.
A acidificação nos músculos e sangue causa dor e limita o período 
de atividade muscular extrema. 
O lactato pode ser reciclado (na gliconeogênese, com a ajuda do 
fígado), mas leva tempo...
Fermentação Láctica:
Cooperação entre músculo e fígado: Ciclo 
de Cori
O lactato muscular segue no sangue até o fígado (1), 
onde volta a virar piruvato (2) e aí segue para a 
gliconeogênese (3).
A glicose formada na gliconeogênese volta para o 
músculo (4), mas esse é um processo lento.
Esse ciclo de reações de glicose a lactato no músculo 
e lactato a glicose no fígado, que volta para o 
músculo é chamado de Ciclo de Cori.
Glicose
Reação 
ocorrendo 
no fígado.
1
3
2
4
Alguns lactobacilos fermentam a lactose do leite em ácido lático. 
A acidificação gerada pela formação do lactato abaixa o pH, 
desnaturando proteínas do leite, o que pode gerar queijo e 
iogurte, dependendo do caso.
Fermentação Láctica:
Fermentação Etanólica (Alcoólica):
Enzimas: piruvato descarboxilase e álcool desidrogenase.
Seres humanos não realizam a fermentação alcoólica.
Fermentação Etanólica (Alcoólica):
Tiamina Pirofosfato, coenzima derivada da Vitamina B1.
Fermentação Etanólica (Alcoólica):
C6H12O6 2C2H6O + 2CO2
(C6H12O6)
Glicose Etanol
Fermentação Etanólica (Alcoólica):
Presente em leveduras, outros microorganismos, 
algumas plantas.
Fermentação Etanólica (Alcoólica):
Presentes ao final do processo de produção de 
champagne e cerveja.
Fermentação Etanólica (Alcoólica):
Responsável pelo crescimento da massa do pão.
Fermentação Etanólica (Alcoólica):
Presente em muitos organismos, 
inclusive em humanos.
Fermentação Etanólica (Alcoólica):
Em humanos, a desintoxicação do álcool é feita por essa enzima.
Mas a atuação dela pode ser tóxica, se ao invés de metabolizar etanol essa enzima 
metabolizar metanol:
O formaldeído é tóxico para muitos tecidos, particularmente os olhos.
Os destinos do piruvato:
condições 
aeróbicas
2CO2
condições 
anaeróbicas
condições 
anaeróbicas
Fermentação até
lactato
Fermentação até etanol
ciclo do 
ácido cítrico 
e fosforilação 
oxidativa
O2
Animais, vegetais e muitas 
células microbianas sob 
condições aeróbicas
Ciclo de Krebs
ou
Ciclo do ácido tri-carboxílico
ou
Ciclo do ácido cítrico
Os 3 estágios da respiração celular a partir 
do catabolismo de proteínas, lipídios e 
carboidratos:
Em condições aeróbicas, a glicólise faz parte do 
primeiro de três estágios da respiração celular.
Respiração no contexto fisiológico: liberação de 
CO2 e captação de O2, por parte do organismo.
.
Em condições aeróbicas, a glicólise faz parte do 
primeiro de três estágios da respiração celular.
Respiração no contexto fisiológico: liberação de 
CO2 e captação de O2, por parte do organismo.
Respiração no contexto celular/bioquímico: consumo 
de O2 e liberação de CO2 por parte da célula. É a 
respiração celular.
A respiração ocorre em bactérias aeróbicas ou em 
células eucarióticas, dentro da mitocôndria.
Em condições aeróbicas, a glicólise faz parte do 
primeiro de três estágios da respiração celular.
Respiração no contexto fisiológico: liberação de 
CO2 e captação de O2, por parte do organismo.
Respiração no contexto celular/bioquímico: consumo 
de O2 e liberação de CO2 por parte da célula. É a 
respiração celular.
A respiração ocorre em bactérias aeróbicas ou em 
células eucarióticas, dentro da mitocôndria.O2
Em condições aeróbicas, a glicólise faz parte do 
primeiro de três estágios da respiração celular.
Respiração no contexto fisiológico: liberação de 
CO2 e captação de O2, por parte do organismo.
Respiração no contexto celular/bioquímico: consumo 
de O2 e liberação de CO2 por parte da célula. É a 
respiração celular.
A respiração ocorre em bactérias aeróbicas ou em 
células eucarióticas, dentro da mitocôndria.O2
1º estágio da respiração celular:
Oxidação de aminoácidos,ácidos graxos e 
glicose, gerando Acetil-CoA.
2º estágio da respiração celular:
Oxidação do Acetil-CoA no ciclo de Krebs, 
liberando elétrons.
3º estágio da respiração celular: CTE e 
fosforilação oxidativa - próxima aula.
A glicólise ocorre no citosol da célula.
Piruvato então entra na mitocôndria e...
Em eucariotos:
... ocorre a conversão de piruvato em acetil-CoA que segue para o 
ciclo de Krebs. Ambos ocorrem na matriz mitocondrial.
Microscopia eletrônica de transmissão de 
uma mitocôndria
Esquema de uma 
mitocôndria
Matriz
Membrana 
mitocondrial 
interna
Membrana 
mitocondrial 
externa
E porque a mitocôndria possui duas membranas?
Simbioses ancestrais, que deram origem aos organismos atuais:
Resquício de uma simbiose ancestral que tornou-se permanente. Outras evidências: 
mitocôndria possui dna e ribossomas próprios.
Voltando:
Na matriz mitocondrial o piruvato será convertido em 
acetil-CoA pelo complexo da piruvato desidrogenase...
Complexo da piruvato desidrogenase:
É composto de 3 enzimas, necessita de 5 coenzimas (CoA, NAD, 
FAD, TPP e Lipoato) e sofre regulação alostérica e covalente.
Complexo da piruvato desidrogenase:
4 vitaminas do complexo B são importantes: B1 (tiamina gera TPP), 
B2 (riboflavina gera FAD), B3 (niacina gera NAD) e B5 (pantotenato
gera CoA).
É composto de 3 enzimas, necessita de 5 coenzimas (CoA, NAD, 
FAD, TPP e Lipoato) e sofre regulação alostérica e covalente.
Complexo da piruvato desidrogenase:
Que tipo de reação é essa?
É composto de 3 enzimas, necessita de 5 coenzimas (CoA, NAD, 
FAD, TPP e Lipoato) e sofre regulação alostérica e covalente.
Complexo da piruvato desidrogenase:
Que tipo de reação é essa? É uma decarboxilação oxidativa.
É composto de 3 enzimas, necessita de 5 coenzimas (CoA, NAD, 
FAD, TPP e Lipoato) e sofre regulação alostérica e covalente.
Olhando em mais detalhe:
E1 piruvato desidrogenase
E2 diidrolipoil transacetilase
E3 diidrolipoil desidrogenase
grupo prostético (coenzimas ligadas)
Olhando em mais detalhe:
E1 piruvato desidrogenase
E2 diidrolipoil transacetilase
E3 diidrolipoil desidrogenase
coenzimas solúveis
grupo prostético (coenzimas ligadas)
- SH
Olhando em mais detalhe:
E1, E2, E3
Processo semelhante ocorrerá na 4ª reação do ciclo de Krebs.
CO2
Coenzimas:
Tiamina pirofosfato (TPP)
Coenzimas:
Lipoato
Lipoato tem a capacidade de transportar tanto elétrons quanto grupos acila.
Coenzimas:
Grupo tiol 
reativo
β-Mercapto-
etilamina
Coenzima A
Ácido pantotênico
Coenzimas:
Grupo tiol 
reativo
β-Mercapto-
etilamina
Coenzima A
Ácido pantotênico
É um tioéster
O acetil-CoA (2C) entra então no ciclo...
O Ciclo de Krebs propriamente dito:
A estratégia do ciclo de Krebs:
acetil-CoA
oxaloacetato citrato
8 etapas enzimáticas
A estratégia do ciclo de Krebs:
Ciclo de 
Krebs
Pontos de 
regulação do 
ciclo
citrato 
sintase
1ª das 8 reações: citrato sintase
2ª reação: aconitase
citrato 
sintase
aconitase aconitase
1ª das 8 reações: citrato sintase
3ª reação: isocitrato desidrogenase
Duas isoformas de isocitrato desidrogenase:
Dependente de NAD+: na mitocôndria, para o ciclo.
Dependente de NADP+: mitocôndria e citosol, para reações 
anabólicas de redução. 
isocitrato
desidrogenase
4ª reação: complexo da αααα-cetoglutarato desidrogenase
complexo da αααα-cetoglutarato
desidrogenase
O complexo da α-cetoglutarato desidrogenase também possui três 
enzimas (E1, E2 e E3) e também depende de TPP, lipoato, FAD, 
NAD+ e CoA. As proteínas dos dois complexos (piruvato
desidrogenase e α-cetoglutarato desidrogenase) parecem ter a 
mesma origem evolutiva...
succinil-CoA
sintetase
5ª reação: succinil-CoA sintetase
Ocorre aqui outra fosforilação no nível do substrato, formando uma molécula de alta 
energia, o GTP. 
ATP e GTP são energeticamente equivalentes. Além disso, GTP pode ser prontamente 
transformado em ATP pela ação da enzima nucleosídeo difosfato quinase:
Porque existem enzimas com o nome de sintases e outras de sintetases? 
Sintases catalizam reações de síntese, sem a participação de nucleosídeos
trifosfato. Já as sintetases empregam nucleosídeos trifosfato na síntese.
succinil-CoA
sintetase
5ª reação: succinil-CoA sintetase
6ª reação: succinato desidrogenase
succinato
desidrogenase
É a única enzima do ciclo de Krebs ligada à membrana. Em função disso, 
também participa da fosforilação oxidativa (próxima aula).
6ª reação: succinato desidrogenase
succinato
desidrogenase
O malonato é um análogo do succinato atuando 
como um importante inibidor competitivo da 
succinato desidrogenase. Por isso, o malonato é
um bloqueador do ciclo de Krebs.
7ª reação: Fumarase
8ª e ultima reação: malato desidrogenase
malato
desidrogenase
Apesar de desfavorável, essa reação ocorre na direção da formação do 
oxaloacetato em função da reação que ocorre em seguida, que é a primeira 
de um novo ciclo...
8ª e ultima reação: malato desidrogenase
malato
desidrogenase
citrato 
sintase
1ª reação: citrato sintase
Saldo energético:
1 volta no ciclo (1 piruvato):
4 NADH + 1 FADH2 + 1 GTP (ATP)
piruvato
C3
CO2NADH
Saldo energético:
Glicose 2 Piruvato
1 volta no ciclo (1 piruvato):
4 NADH + 1 FADH2 + 1 GTP (ATP)
1 glicose: 2 NADH + 2 ATP
C3
CO2NADH
piruvato
Saldo energético:
Por glicose (2 piruvato):
8 NADH + 2 FADH2 + 2 GTP (ATP)
Glicose 2 Piruvato 1 glicose: 2 NADH + 2 ATP
C3
CO2NADH
piruvato
Saldo energético:
Por glicose (2 piruvato):
8 NADH + 2 FADH2 + 2 GTP (ATP)
Saldo parcial (1 glicólise e 2 ciclos): 
10 NADH + 2 FADH2 + 4 ATP
Glicose 2 Piruvato 1 glicose: 2 NADH + 2 ATP
C3
CO2NADH
piruvato
Um pouco de evolução...
Algumas bactérias anaeróbicas não possuem a α-cetoglutarato
desidrogenase.
Elas utilizam um “ciclo de Krebs incompleto” como fonte, não de 
energia, mas de precursores biossintéticos...
Ciclo de 
Krebs
X
Um pouco de evolução...
NADH
NAD+
Isso é um tipo de fermentação 
(Isocitrato é oxidado enquanto 
oxaloacetato é reduzindo, 
regenerando NAD+).
Podemos supor que a evolução das 
reações do ciclo de Krebs tenha se 
dado de forma semelhante...
Um pouco de evolução...
Um pouco de evolução...
E se a α-cetoglutarato
desidrogenase tiver se 
originado a partir da 
piruvato desidrogenase?...
O Ciclo de Krebs é uma via Anfibólica...
O ciclo de Krebs é uma via 
catabólica porque: 
É o ponto para o qual convergem as vias de 
degradação de açúcares, proteínas e 
lipídios em células aeróbicas.
O Ciclo de Krebs é uma via Anfibólica...
O ciclo de Krebs é uma via anabólica porque fornece precursores 
de diversas vias biossintéticas.
O ciclo de Krebs é uma via anabólica porque fornece precursores 
de diversas vias biossintéticas.
Mas... se os intermediários do ciclo de Krebs forem utilizados para 
outras funções, o ciclo pararia, por falta de seus intermediários...
Como isso poderia ser resolvido?
As reações anapleróticas (setas vermelhas) repõem intermediários do 
ciclo que foram consumidos em reações anabólicas.
Reações anapleróticas:
Como regular o ciclo de Krebs?
- Regulação da produção de acetil CoA a partir do piruvato.
- O ciclo mesmo é regulado nos três passos extremamente 
exergônicos.
Induzem a fosforilaInduzem a fosforilaçção da ão da piruvatopiruvato desidrogenasedesidrogenase, razões altas de:, razões altas de:
ATPATP
ADPADP
Acetil CoAAcetil CoA
CoACoA--SHSH
NADHNADH
NADNAD++
O controle dapiruvato desidrogenase por 
modificação covalente (fosforilação):
E1 é a piruvato desidrogenase
Próxima aula: cadeia respiratória e fosforilação
oxidativa