Estudo_dirigido 10-Degradação oxidativa de carboidratos- Parte II

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Disciplina Bioquímica (PPGBAA) 
 
 
 
 
 
10º estudo dirigido: 
Degradação oxidativa de carboidratos (Parte II) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1) Quantos estádios da respiração celular estão envolvidos no catabolismo 
(oxidação) de carboidratos, lipídeos e proteínas? Quais são esses estádios e 
quais são os principais compostos envolvidos em cada estádio? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 São três os estágios da respiração celular envolvidos no catabolismo (oxidação de 
carboidratos, lipídeos e proteínas. 
Estágio 1: A oxidação de ácidos graxos, glicose e alguns aminoácidos gera acetil-CoA. 
Estágio 2: A oxidação dos grupos acetil a CO2 no ciclo do ácido cítrico inclui quatro etapas 
nas quais os elétrons são removidos, sendo que a a energia liberada é conservada nos 
transportadores de elétrons reduzidos NADH e FADH2. 
Estágio 3: Os elétrons carreados por NADH e FADH2 convergem para uma cadeia de 
transportadores de elétrons mitocondrial (ou em bactérias, ligados à membrana plasmática), 
a cadeia respiratória, reduzindo no final, O2 a H2O. Nesse estágio, as 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. Durante a transferência de elétrons, a grande 
quantidade de energia liberada é conservada na forma de ATP, por um processo chamado 
de fosforilação oxidativa. 
 
 
2) Apresente as estruturas químicas (a mão) envolvidas na descarboxilação 
oxidativa do piruvato a acetil-CoA e CO2. Quais são as enzimas envolvidas e qual 
 
 
 
 
 
é o nome do complexo formado por essas enzimas? Qual é a função de cada 
enzima? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 O complexo piruvato-desidrogenase (PDH) contém três enzimas, piruvato-
desidrogenase, E1 (ligada ao cofator TPP), diidrolipoil-transferase, E2 (covalentemente 
ligada ao grupo lipoil) e diidrolipoil-desidrogenase, E3 (com os cofatores FAD e NAD), 
cada uma presente em múltiplas cópias. E1 tem a função de catalisar a primeira reação 
de descarboxilação do piruvato, produzindo hidroxietil-TPP, e então a oxidação do 
grupo hidroxietil a um grupo acetil. Os elétrons desta oxidação reduzem o dissulfeto do 
lipoato ligado a E2, e o grupo acetil é transferido em uma ligação tioéster a um grupo, 
SH do lipoato reduzido. A função da E2 é catalisar a transferência do grupo acetil para 
a coenzima A, formando acetil-CoA. Já E3 tem a função de catalisar a regeneração da 
forma dissulfeto (oxidada) do lipoato; os elétrons passam primeiramente ao FAD, e 
então ao NAD+. Os longos braços de lipoil-lisina movem-se livremente entre o sítio 
ativo de E1 e os sítios ativos de E2 e E3, prendendo os intermediários ao complexo 
enzimático e possibilitando a canalização do substrato. 
 
 
3) O que é o ciclo de Krebs? Onde ele ocorre? Qual é a importância desse ciclo? 
 O ciclo de Krebs (ciclo do ácido cítrico, ciclo do ácido tricarboxílico [TCA]) é uma via 
catabólica central e praticamente universal por meio da qual os compostos derivados 
da degradação de carboidratos, gorduras e proteínas são oxidados a CO2, com a maior 
 
 
 
 
 
parte da energia da oxidação temporariamente armazenada nos transportadores de 
elétrons FADH2 e NADH. Esse processo ocorre nas mitocôndrias, durante o 
metabolismo aeróbico, estes elétrons são transferidos ao O2, e a energia do fluxo de 
elétrons é capturada na forma de ATP. Esse ciclo é de suma importância, pois possui 
um caráter 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. 
 
4) Apresente a estrutura química (a mão) dos compostos formados no ciclo de 
Krebs. Quais são as enzimas envolvidas? Observe as estruturas e descreva qual 
é a modificação feita por cada enzima. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
São oito enzimas que fazem parte do ciclo de Krebs. Sendo elas. A citrato sintase, 
aconitase, isocitrato desidrogenase, complexo α cetoglutarato desidrogenase, succinil 
CoA sintatetase, succicinato desidrogenase, fumarase, malato desidrogenase. 
As enzimas estão descritas abaixo de acordo com sua função: 
Citrato sintase: catalisa uma reação de condensação, transformando o acetil-CoA 
que possui dois carbonos em sua estrutura e que se une ao oxalacetato que contém 
 
 
 
 
 
quatro carbonos, produzindo a molécula de citrato contendo seis carbonos, sendo 
removida água e a CoA. 
Aconitase: catalisa uma reação reversível promovendo a desidratação, fazendo 
com que a molécula de citrato perca uma de água formando assim o cis-Aconitato, 
molécula que tem seis carbonos com uma dupla ligação entre os carbonos 2 e 3. A 
aconitase pode também promover uma hidratação, adicionando hidrogênio e água na 
molécula de cis-Aconitato, formando uma molécula de isocitrato. 
Isocitrato desidrogenase: catalisa uma reação em que ocorre descaboxilação 
oxidativa, onde o isocitrato perde um carbono, dois oxigênios e um hidrogênio, 
liberando uma molécula de CO2, formando então o α-Cetoglutarato, molécula que 
possui cinco carbonos e quatro hidrogênios, com um grupo cetona no C3. 
Complexo α-cetoglutarato desidrogenase: também promove uma 
descarboxilação durante o ciclo, removendo carbono e oxigênio do α-glutarato e 
adicionando S-CoA, com isso é formado succinil-CoA. 
Succinil-CoA sintase: promove uma reação de fosforilação ao nível do substrato, 
formando ATP ou GTP, e remove CoA-SH, formando assim a molécula de Succinato, 
que tem dois grupos carboxila, um em cada extremidade da cadeia. 
Succinato desidrogenase: catalisa a desidrogenação do succinato, formando 
fumarato que contém contém dois grupos carboxila e uma dupla ligação entre os 
carbonos 2 e 3 da molécula, nesta reação há liberação de uma molécula de FADH2. 
Fumarase: catalisa uma reação de hidratação, em que é adicionada uma molécula 
de água, assim é formato o malato, molécula de quatro carbonos, com um grupo 
carboxila em cada extremidade da cadeia e uma hidroxila ligada ao C2. 
 Malato desidrogenase: catalisa uma reação de desidrogenação, em que o malato 
perde dois hidrogênios e regenera a molécula de oxalacetato, que é formado por 
quatro carbonos, com duas carboxilas e um grupo cetona. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5) Apresente novamente a estrutura química (a mão) dos compostos formados no 
ciclo de Krebs, indicando as enzimas envolvidas. Indique no ciclo os pontos de 
regulação que existem no ciclo de Krebs. Quais são as enzimas envolvidas na 
regulação? Quais são os compostos que inibem ou ativam essas enzimas? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 A velocidade global do ciclo de Krebs é controlada pela taxa de conversão do 
piruvato a acetil-CoA e pelo fluxo pelas enzimas citrato-sintase, isocitrato-
desidrogenase e α-cetoglutarato-desidrogenase. Estes fluxos são determinados pelas 
concentrações dos substratos e dos produtos: os produtos finais ATP e NADH são 
inibitórios, e os substratos NAD+ e ADP são estimuladores. Em mamíferos a produção 
de acetil-CoA pelo complexo piruvato-desidrogenase é regulada por mecanismos 
alostéricos e covalentes. 
 A inibição alostérica da oxidação do piruvato é muito aumentada quando ácidos 
graxos de cadeia longa estão disponíveis em grande quantidade ou quando as razões 
celulares [ATP]/[ADP] e [NADH]/[NAD+] estão elevadas. O complexo PDH é ativado 
novamente quando a demanda de energia está alta e a célula necessita de um maior 
fluxo de acetil-CoA para o ciclo de Krebs. Esta regulação alostérica é complementada 
por um segundo nível de regulação: a modificação covalente das proteínas. O 
complexoPDH é inibido pela fosforilação reversível de um resíduo de Ser específico 
em uma das subunidades E1. Uma proteína-cinase específica fosforila e, desta 
maneira, inativa E1, enquanto que uma fosfoproteína-fosfatase específica remove o 
grupo fosfato por hidrolise e, desta maneira, ativa E1. 
 A cinase é alostericamente ativada por ATP: quando a [ATP] está elevada, o 
complexo da PDH é inativada pela fosforilação de E1. Quando [ATP] diminui, a 
inativação da cinase diminui e a ação da fosfatase remove o grupo fosfato de E1, 
ativando o complexo. No ciclo de Krebs, três fatores regulam a velocidade do fluxo do 
ciclo: disponibilidade de substrato, inibição pelos produtos acumulados e inibição 
alostérica por retroalimentação das enzimas que catalisam as etapas iniciais do ciclo. A 
disponibilidade dos substratos da citrato-sintetase (acetil-CoA e oxaloacetato) varia 
 
 
 
 
 
com o estado metabólico da célula e algumas vezes limita a taxa de formação de 
citrato. 
 O NADH, um produto da oxidação do citrato e do α-cetoglutarato, acumula-se sob 
determinadas condições, e em altas [NADH]/[NAD] ambas as reações de 
desidrogenação são fortemente inibidas pela ação das massas. O acúmulo de produtos 
iniciais inibe as três etapas limitantes do ciclo: a succinil-CoA inibe a α-cetoglutarato-
desidrogenase (e também a citrato-sintase); o citrato bloquea a citrato-sintase; e o 
produto final, ATP, inibe a citrato-sintase e a isocitrato-desidrogenase. A inibição da 
citrato-sintase pelo ATP é abrandada por ADP, um ativador alostérico desta enzima. 
 
6) Discuta sobre a importância da regulação do ciclo de krebs. 
 A regulação das etapas do ciclo de Krebs tem grande importância na produção de 
intermediários para outras rotas metabólicas, pois este ciclo não é somente uma via 
catabólica ele também fornece precursores para a síntese de outros compostos 
metabólicos, atuando assim anabolicamente, sendo considerada uma via anfibólica. 
Alguns intermediários do ciclo do ácido cítrico são precursores na síntese de 
carboidratos, ácidos graxos e aminoácidos. 
 Logo, a inibição que ocorre em alguns pontos da rota faz com que aqueles produtos 
que seriam degradados passem a ser utilizados em outras rotas. O citrato é precursor 
de ácidos graxos e colesterol; o α-cetoglutarato é precursor de aminoácidos; o succinil-
CoA é precursor de ácidos graxos de cadeia ímpar, aminoácidos (Isoleucina, Metionina 
e Valina) e porfirinas; estes precursores ao serem impedidos de entrar no ciclo de 
Krebs são direcionados para as rotas de síntese desses outros compostos. 
 
7) Qual é o balanço de uma volta do ciclo de Krebs? 
 
 
 
 
 O balanço de uma volta no ciclo de Krebs produz três NADH, um FADH2, e um ATP 
e duas moléculas de CO2. Um grupo acetil, contendo dois átomos de carbono foi 
introduzido no ciclo por combinação com o oxaloacetato, dois átomos de carbono saem 
do ciclo como CO2 nos passos em que foram oxidados o isocitrato e do α-cetoglutarato. 
A energia liberada por essas oxidações foi conservada pela redução de três NAD+ e um 
 
 
 
 
 
FAD e na síntese de uma molécula de ATP ou de GTP, onde no final do ciclo foi 
regenerada uma molécula de oxaloacetato. 
 
8) Qual é o rendimento energético da oxidação da glicose via glicólise, conversão 
do piruvato a acetil-CoA, ciclo do ácido cítrico e fosforilação oxidativa? 
Apresente as reações envolvidas no consumo ou produção de ATP e coenzimas 
(NADH e FADH2). Quantas moléculas de ATP são formadas a partir de NADH e 
FADH2? 
 
 
 
*Calculado como 2,5 ATP por NADH e 1,5 ATP por FADH2. O valor negativo indica 
consumo. 
 
 
9) A conversão de duas moléculas de gliceraldeído 3-fosfato em duas moléculas de 
1,3-bifosfoglicerato produz duas moléculas de NADH, que pode ser utilizado para 
produzir três ou cinco moléculas de ATPs. Explique em que circunstâncias o 
NADH será utilizado para a produção de três ou cinco moléculas de ATPs. 
 Sistemas especiais de lançadeiras carregam equivalentes de NADH citosólico para 
a mitocôndria por uma via indireta. A lançadeira de NADH mais conhecida, que 
funciona em mitocôndrias do fígado, rim e coração, é a lançadeira do malato-aspartato. 
Esta lançadeira desloca os equivalentes de NADH para dentro da matriz mitocondrial, 
onde entram na cadeia respiratória no complexo I. Cerca de 2,5 ATP são gerados à 
medida que o par de elétrons passam para o O2. Os músculos esqueléticos e o 
encéfalo usam uma lançadeira de NADH diferente, a lançadeira do glicerol-3-fosfato. 
Ela difere da lançadeira do malato-aspartato por entregar os equivalentes redutores do 
NADH para a ubiquinona e, então, para o complexo III, não ao complexo I, 
proporcionando energia suficiente apenas para sintetizar 1,5 ATP por par de elétrons. 
 As mitocôndrias das plantas têm uma NADH-desidrogenase que pode transferir 
elétrons diretamente do NADH citisólico para a cadeia respiratória no nível da 
ubiquinona. Nas plantas a NADH-desidrogenase é considerada um complexo 
alternativo que é ativado somente quando o complexo I paralisa ou quando ocorre 
acúmulo de cofator reduzido na forma de NADH. 
 
 
 
 
 
 
10) Os vertebrados podem converter os ácidos graxos ou seus derivados (acetatos) 
em carboidratos? Explique. 
 Os vertebrados não podem coverter ácidos graxos e os seus derivados em 
carboidratos porque a quantidade de energia liberada simultaneamente na quebra 
direta das ligações dos ácidos graxos, podendo ser ligações éter ou éster, seria de 
uma quantidade exacerbada. Esta quantidade energia liberada na reação exergônica 
do fosfoenolpiruvato em piruvato e depois em Acetil-CoA seria tão alta que aumentaria 
a temperatura dentro da célula, causando a combustão. Contudo, os vertebrados 
também não possuem as enzimas isocitrato-liase e malato-sintase que convertem 
combustíveis ou metabólicos para serem dregadados a acetatos (ácidos graxos e 
certos aminoácidos) em carboidratos. 
 
11) Por que as plantas, alguns invertebrados e microorganismos conseguem 
converter os ácidos graxos ou seus derivados (acetatos) em carboidratos? 
Explique. 
 Em plantas, certos invertebrados e alguns microorganismos (incluindo E. coli e 
leveduras), o acetato pode ser tanto um combustível rico em energia como uma fonte 
de fosfoenolpiruvato para a síntese de carboidratos. Essa indivíduos possuem uma 
organela chamada de glioxissoma onde as enzimas do ciclo do glioxilato catalisam a 
conversão líquida de acetato a succinato ou outros intermediários de quatro carbonos 
do ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs). Em sementes oleaginosas o acetil-CoA 
originado através da degradação dos lipídeos é convertido em succinato, via ciclo do 
glioxilato, e o succinato é exportado para a mitocôndria, onde as enzimas do ciclo de 
Krebs o transformam em malato. Uma isoenzima citosólica da malato-desidrogenase 
oxida malato a oxaloacetato, um precursor para a gliconeogênese. 
 
 
12) O que é o ciclo do glioxilato? Onde ele ocorre? Qual é a importância desse ciclo? 
O ciclo do glioxilato é uma via alternativa de metabolismo de acetil-CoA, como se 
fosse um “mini ciclo de Krebs”, uma vez que é uma via catabólica, por meio da qual o 
acetil-CoA é condensado com o oxaloacetato para formar citrato, e o citrato é 
convertido a isocitrato, assim como no Ciclo de Krebs. Porém, cada volta do ciclo do 
glioxilato consome duas moléculas de acetil-CoA e produz uma molécula de 
succinato, que está, então, destinada a finalidade biossintética. Este ciclo ocorre em 
organelas delimitadas por membranas chamadas de glioxissomos, os quais são 
peroxissomos especializados. 
O ciclo do glioxilato realiza a conversão de lipídeos, ácidos graxos e seus derivados 
em carboidratos, este ciclo ocorrendo em vegetais (como em sementes durante a 
germinação) e em alguns microorganismos. A importância deste ciclo refere-se à 
conversão de acetil-CoA em succinato que pode ser utilizado como intermediário no 
ciclo de Krebspara a produção de energia na forma de ATP, para a síntese de outros 
compostos celulares ou para a conversão de lipídeos em glicose, principalmente em 
sementes oleaginosas que armazenam principalmente compostos lipídicos, elas 
precisam transformar o óleo em carboidratos para a obtenção de energia para poder 
germinar e dar continuidade ao crescimento da plântula, este processo foram 
estratégias adquiridas por estes tipos de organismos durante a sua evolução. 
 
13) Apresente a estrutura química (a mão) dos compostos formados no ciclo do 
glioxilato. Quais são as enzimas envolvidas? Observe as estruturas e descreva 
qual é a modificação feita por cada enzima. 
http://pt.wikipedia.org/wiki/Metabolismo
http://pt.wikipedia.org/wiki/Acetil-CoA
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
14) Apresente os intermediários e as enzimas presentes no ciclo do ácido cítrico e 
no ciclo do glioxilato. Quais são os intermediários e as enzimas que estão 
presentes somente no ciclo do glioxilato? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Os intermediários presentes no ciclo do glioxilato são: citrato, isocitrato, o glioxilato 
(presente somente no ciclo do glioxilato), malato e oxalacetato. 
 As enzimas 
presentes no ciclo 
do glioxilato são: a 
citrato-sinase, a 
aconitase e a 
malato-
desidrogenase são 
isoenzimas das 
enzimas do ciclo do 
ácido cítrico; 
isocitrato-liase e 
malato-sintase são 
exclusivas do ciclo 
do glioxilato. 
15) Quais são 
as 
relações 
entre o 
ciclo do 
glioxilato e 
o ciclo do 
ácido 
cítrico? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 As reações do ciclo do glioxialato (nos glioxissomos) acontecem simultaneamente, 
entrelaçando-se com as reações do ciclo do ácido cítrico (nas mitocôndrias), conforme 
os intermediários passam por estes compartimentos. A regulação da atividade da 
isocitrato-desidrogenase determina a participação alternada do isocitrato entre os ciclos 
do glioxialato e do ácido cítrico. Quando a enzima está desativada por fosforilação (por 
uma proteína-cinase específica), o isocitrato é direcionado para as reações 
biossintéticas, via ciclo do glioxialato. Quando a enzima é ativada por desfosforilação 
(por uma fosfatase específica), o isocitrato entra no ciclo do ácido cítrico e ATP é 
produzido. Nas sementes em germinação, as transformações enzimáticas dos ácidos 
dicarboxílicos e tricarboxílicos ocorrem em três compartimentos intracelulares: 
mitocôndrias, glioxissomos e citosol. Existe um constante intercâmbio de metabólitos 
entre estes compartimentos. O esqueleto carbônico do oxaloacetato originado pelo 
ciclo de (na mitocôndria) é transportado ao glioxissomo na forma de aspartato. O 
aspartato é convertido a oxaloacetato, que se condensa com a acetil-CoA derivada da 
degradação dos ácidos graxos. 
 O citrato assim formado é convertido a isocitrato pela enzima aconitase, sendo 
então dividido em glioxilato e succinato pela enzima isocitrato-liase. O succinato retorna 
à mitocôndria, entra novamente no ciclo de Krebs e é transformado em malato, que vai 
para o citosol e é oxidado (pela malato-desidrogenase citosólica) a oxaloacetato. O 
 
 
 
 
 
oxaloacetato é convertido, via gliconoegênese, a hexoses e sacaroses, as quais podem 
ser transportadas às raízes e aos brotos em crescimento. Quatro vias distintas 
participam destas conversões: degradação dos ácidos graxos a acetil-CoA (nos 
glioxissomos), ciclo do glioxilato (nos glioxissomos), ciclo de Krebs (nas mitocôndrias) e 
gliconeogênese (no citosol). 
 
16) Explique como ocorre a regulação coordenada entre o ciclo do glioxilato e o ciclo 
do ácido cítrico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Para que ocorra o compartilhamento dos intermediários comuns entre os ciclos, 
requer que as vias do ciclo do glioxilato e do ciclo de Krebs sejam reguladas de forma 
coordenada. O isocitrato é um intermediário essencial, neste compartilhamento. A 
isocitrato-desidrogenase é regulada por modificações covalente, onde uma proteína-
cinase específica fosforila, e assim inativa, a desidrogenase. Esta inativação desvia 
isocitrato para o ciclo do glioxilato, onde ele inicia a via sintética para a produção de 
glicose. 
Uma fosfoproteína-fosfatase remove o grupo fosfato da isocitrato-desidrogenase, 
reativando a enzima e lançando mais isocitrato para formação de energia pelo ciclo 
de Krebs. 
As atividades cinásicas e fosfatásicas de regulação são atividades separadas de um 
único polipeptídeo. A fosfoproteína-fosfatase que ativa a isocitrato-desidrogenase é 
estimulada por intermediários do ciclo de Krebs e da glicólise, sendo inibida pelos 
indicadores de suprimento reduzido de energia. 
Os intermediários da glicólise e do ciclo de Krebs que ativam a isocitrato-
desidrogenase são inibidores alostéricos da isocitrato-liase. Quando o metabolismo 
gerador de energia está suficientemente rápido e mantém baixas as concentrações 
dos intermediários glicolíticos e do ciclo de Krebs, a isocitrato-desidrogenase é 
inativada, a inibição da isocitrato-liase é abrandada e o isocitrato flui para a via do 
glioxilato, para ser utilizado na biossintese de carboidratos, aminoácidos e outros 
componentes celulares. 
 
 
 
 
 
 
 
17) Elabore uma pergunta sobre esse tópico e a responda. 
 
Questão: Por que se diz que o ciclo do acido cítrico é anfibólico? 
 
Resposta: Por que o ciclo participa de processos catabólicos e anabólicos,ou seja, 
alem de gerar ATPpela oxidação de substratos, ele também fornece precursores para a 
síntese de aminoácido. 
 
Referências Bibliográficas 
 
LEHNINGER, A. L.. Princípios de Bioquímica. 5. ed. Porto Alegre: Savier, 1273 p. 2011. 
 
CAMPBELL, M. K.. Bioquímica. 3. ed. Porto alegre: Artmed, 752 p. 2000. 
 
TAIZ, L.; ZEIGER, E.. Fisiologia Vegetal. 3. ed. Porto Alegre: Artmed, 719 p. 2004. 
 
VOET, D.; VOET, J.; PRATT, W. C. Fundamentos de Bioquímica. Porto Alegre: Artes 
Médicas Sul. 2000.