ED 7 - Fosforilação oxidativa

Prévia do material em texto

Estudo dirigido 07 - Fosforilação Oxidativa
1. Nos seus estudos sobre fermentação alcoólica em leveduras, Louis Pasteur observou que a adição de oxigênio a suco de uva fermentando previamente em anaerobiose resultava em uma diminuição dramática na velocidade de consumo de glicose, o que foi chamado de Efeito Pasteur. 
 
a) Explique, com base nos mecanismos de regulação metabólica, porque as leveduras consomem menos glicose na presença de oxigênio. 
O piruvato (formado ao fim da glicólise) é convertido em acetil-CoA pela enzima piruvato desidrogenase, o acetil Co-A se junta ao oxaloacetato dando início ao chamado Ciclo de Krebs, durante o ciclo ocorre a formação de NADH. Entretanto, a falta de oxigênio faz com que os NADHs não possam entregar seus elétrons na cadeia transportadora de elétrons, fazendo assim com que o NADH se acumule. O acumulo de NADH inibe a enzima piruvato desidrogenase, levando a uma trava na produção de acetil-CoA e consequentemente no ciclo de Krebs. Quando não há a conversão do piruvato em acetil-CoA, este tem como destino a fermentação alcoólica passando pela seguinte reação reversível: 
Piruvato ---> Acetaldeído + NADH + H+ ---> Etanol + NAD. 
Essa reação tem como intuito final renegar o NAD, visto que esse é necessário para a via glicolítica. Uma vez que o NADH não entrega seus elétrons na cadeia transportadora de elétrons, não há gradiente de prótons e a enzima ATP sintase não converte ADP + Pi em ATP, isso leva ao acumulo de ADP. Sabe-se que o acumulo de ADP estimula a PFK1, consequentemente a produção de frutose 1,2-bisP é aumentada e a via glicolítica é beneficiada, consumindo cada vez mais glicose e gerando cada vez mais piruvato que terá como destino a fermentação, fazendo com que o NADH acumulado seja convertido em NAD+.
O saldo líquido de ATP proveniente da fermentação das leveduras são apenas 2 ATPs, que são formados na glicólise. Por outro lado, na presença de oxigênio, não ocorre o acumulo de NADH visto que esse se oxida entregando seus elétrons normalmente na cadeia de transporte de elétrons, contribuindo para a síntese de ATP. 
Por estes motivos supracitados, é possível concluir que a respiração celular é mais eficiente em termos de produção de energia do que a fermentação. Logo, para que a fermentação tenha sua eficiência igualada a respiração celular é necessário que a mesma consuma muito mais glicose.
b) Estime quantas vezes menos glicose as leveduras consumiriam na presença de oxigênio. Explique. 
Durante a respiração celular, as leveduras consomem 16 vezes menos glicose do que na fermentação, visto que durante a respiração celular são formados 32 ATPs enquanto que na fermentação são produzidos apenas 2 ATPs.
2. O infarto agudo do miocárdio caracteriza-se pela obstrução de artérias que levam sangue a uma dada região do coração. Na região que tem o fluxo de sangue completamente interrompido observase morte celular e lesão irreversível do tecido. Há, no entanto, uma região periférica ao infarto, onde a obstrução não é completa, de modo que o tecido recebe, através de circulação colateral, um fluxo limitado de sangue. Como conseqüência disso, as células desta região experimentam uma situação de hipóxia, isto é, são submetidas a baixas concentrações de oxigênio, mas não à sua ausência. Após a ocorrência de um infarto, observa-se acentuado aumento da concentração de fosfato inorgânico, seguido de redução do pH (acidificação) intracelular. 
a) Que modificações ocorrem no metabolismo da região do tecido cardíaco periférica ao infarto? Discuta, indicando as vias metabólicas envolvidas e as mudanças de fluxo ocorridas. 
A baixa concentração de oxigênio indica que menos elétrons estão sendo transportados pela cadeia transportadora de elétrons, visto que o objetivo final desse transporte é que os elétrons se juntem ao oxigênio formando uma molécula de água. Durante esse transporte de elétrons, prótons são jogados para o espaço intramembrana, já que quando os elétrons vão passando de um complexo ao outro, as reações de oxirredução sofridas por eles geram uma mudança na conformação desses complexos fazendo com eles trabalhem como uma bomba de prótons. Sabendo que a baixa concentração de oxigênio indica menos elétrons sendo transportados, logo, é possível concluir que menos prótons estão sendo jogados ao espaço intramembrana. 
Uma vez que menos elétrons estão sendo transportados, ocorre o acúmulo de NADH, já que esse é responsável por doar elétrons para a cadeia, se oxidando. O acúmulo de NADH inibe a piruvato desidrogenase, enzima responsável por converter piruvato em acetil-CoA, isso leva ao aumento da concentração de piruvato.
Uma vez que menos prótons estão sendo jogado ao espaço intermembrana, menos prótons estão voltando, consequentemente a atividade da ATP sintase está diminuída levando ao acúmulo de ADP e Pi, sabe-se que o acúmulo de ADP leva a a uma maior atividade por parte da enzima PFK1, logo, a glicólise nessa situação está estimulada (consumo de glicólise está alto).
b) Por que ocorrem aumento da concentração de fosfato inorgânico e acidificação? 
Os prótons que antes foram jogados para o espaço intramembrana retornam a matriz mitocondrial, gerando energia. A ATP sintase então usa essa energia e converte ADP + Pi em ATP. Consequentemente, ao analisar as condições já supracitadas, sabe-se que a quantidade de prótons no espaço intramembrana estará diminuída, consequentemente menos prótons voltarão a matriz, fazendo com que a conversão de do ADP + Pi em ATP seja prejudicada, por este motivo a concentração de Pi está elevada, pelo fato de que não está sendo convertido. 
Na falta de oxigênio, ocorre a fermentação lática pois o NADH (reduzido) precisa voltar a ser NAD (oxigenado), então ocorre a seguinte reação reversível: Piruvato + NADH + H ----> Lactato + NAD. O lactato é um ácido, por este motivo ocorre uma leve acidificação. Vale-se ressaltar que acidificação não é acentuada pelo motivo de que quando o pH cai muito, a PFK é inibida levando a menor produção de piruvato, consequentemente a produção de lactato também.
3. Medindo-se o oxigênio consumido por uma preparação de mitocôndrias, após a adição de diferentes substâncias obteve-se o seguinte registro: 
 
Explicar o registro observado após a adição de cada uma das substâncias. Discuta também como está a síntese de ATP em cada situação. 
Mitocôndria: ocorre o consumo de oxigênio e a síntese de ATP
Succinato: é um dos intermediários do Ciclo de Krebs, ele é convertido em fumarato pela enzima succinato desidrogenada, nesse processo ocorre a formação de FADH2, os elétrons vindos do FADH2 vão para a cadeia transportadora de elétrons, que no final se juntam ao oxigênio fazendo com que este seja consumido. A síntese de ATP está elevada, visto que à medida que os elétrons estão se locomovendo pela cadeia transportadora de elétrons, prótons estão sendo jogados da matriz mitocondrial para o espaço intermembrana, criando um gradiente de prótons, quando esses prótons retornam a matriz produzem energia que é responsável por fazer com a enzima ATP sintase converta ADP + Pi em ATP.
ADP: ADP é substrato para a enzima ATP sintase, consequentemente a adição de ADP aumentará a sintase de ATP, visto que a enzima converte ADP + Pi em ATP. Para isso acontecer, é necessário com que elétrons estejam sendo transportados na cadeia transportadora de elétrons, consequentemente, o consumo de oxigênio também está elevado visto que no final da cadeia, os elétrons se juntam ao oxigênio, formando uma molécula de água.
Malonato: veneno que inibe a succinato desidrogenase, enzima responsável por catalisar a reação de oxidação do succinato originando o fumarato, além de ocorrer a liberação de FADH2. Uma vez que essa reação é inibida, a produção de fumarato é travada, consequentemente o ciclo de Krebs também. Com a adição de malonato, não há liberação de elétrons que teoricamente viriam do FADH2 na cadeia de elétrons, por este motivo não há consumo de oxigênio e nem a síntese de ATP.
Piruvato + succinato: O malonatoé um inibidor competitivo da succinato desidrogenase, logo a adição de succinato novamente faz com que a inibição feita pelo malonato anteriormente seja revertida. Dessa forma, a adição de piruvato + succinato leva a maior síntese de FADH2, logo, os elétrons estão sendo entregues a cadeia transportadora de elétrons, fazendo com que volte a acontecer o consumo de oxigênio e a síntese de ATP.
Rotenona: Inibidor do complexo I da cadeia de elétrons, isso faz com que o NADH não possa entregar seus elétrons, por este motivo não há o consumo de oxigênio nem a síntese de ATP com a adição de rotenona.
Succinato: Como já foi dito, a adição de succinato leva a síntese de FADH2, contribuindo para a síntese de ATP e o consumo de oxigênio. A inibição feita pelo rotenona anteriormente é ignorada visto que o FADH2 entrega seus elétrons no complexo II e não no completo I.
Cianeto: Inibidor do complexo IV, último complexo que é responsável por transferir seus elétrons para o oxigênio fazendo com que este seja consumido. Logo, a adição de cianeto faz com que não haja síntese de ATP nem consumo de oxigênio.
DNP: Não é um inibidor! É uma substância que consegue desfazer o gradiente de prótons, isto é, ele passa pela membrana interna carregando os prótons para a matriz mitocondrial. Pelo fato dos prótons voltarem carregados pelo DNP e não passando a favor do seu gradiente de concentração, a ATP sintase não consegue exercer seu papel de converter ADP + Pi em ATP usando a energia proveniente dessa passagem. Logo, a adição de DNP leva o consumo de oxigênio (pois o transporte de elétrons não é prejudicado), entretanto, não leva a síntese de ATP.