4 Metabolismo Aeróbio II

Prévia do material em texto

Bioquímica 
Metabolismo Aeróbio II – Mecanismos de Regulação 
 
Regulação do ciclo de Krebs 
 
O fluxo de C do piruvato gerado pela via glicolítica é estreitamente regulado em 2 
níveis. A conversão de piruvato em Acetil-CoA é uma estratégia de regulação pelo 
complexo PDH e a segunda estratégia é a entrada de Acetil-CoA no ciclo. A Acetil-CoA 
é uma molécula de 2 carbonos ativada pela coenzima A justamente na reação catalisada 
pela PDH. A molécula de Acetil-Coa é um dos substratos do ciclo de Krebs, portanto, é 
fator limitante para o fluxo da via. O pool de Acetil-CoA é crucial para movimentar o 
ciclo de Krebs e, consequentemente, a cadeia transportadora de elétrons no ambiente 
mitocondrial. É tão importante essa etapa de disponibilidade de Acetil-CoA que entra na 
linha de raciocínio de que esse pool de Acetil-CoA ocorre de forma convergente no 
que diz respeito à oxidação de nutrientes em diversos tecidos. 
Vale ressaltar que no estágio 1, ainda no ambiente citosólico, é gerado o pool de NADH 
na 6ª enzima da glicólise e, já na mitocôndria, logo após da metabolização do Acetil-
CoA, há um pool de NADH, gerado seja pela PDH seja por reações enzimáticas do ciclo 
de Krebs. Logo, o ambiente mitocondrial dispõe esse pool de NADH. Essa coenzima é 
importante devido aos seus níveis mais elevados no ambiente celular e pelo fato de ser 
gerado tanto na mitocôndria quanto no citosol. O NADH, então, atua como um efetor 
alostérico de muitas enzimas do ciclo de Krebs. 
Devido a isso, há a menção as oscilações dos níveis desse pool de NADH e com uma 
propensão, uma vez que a cadeia transportadora de elétrons está perfeitamente 
funcional, ao pool de NAD+ no ambiente mitocondrial e esse pool faz com que 
impulsione aquelas enzimas desidrogenases do ciclo de Krebs. O vínculo desse sistema 
redox ao sistema de lançadeiras justifica ainda mais o fato de chamar a atenção para o pool de NAD+, também gerado 
no ambiente citosólico. Vimos que por um sistema de lançadeiras há a comunicação entre os ambientes celulares de tal 
modo que os equivalentes redutores da coenzima citosólica sejam transferidos para os complexos da cadeia transportadora 
de elétrons, caracterizando as etapas principais de bombeamento de prótons e fluxo de elétrons. 
 
Estágio 1: Produção de Acetil-CoA 
 
Considerando que a disponibilidade de substrato é indispensável para a regulação da velocidade e do fluxo de carbono 
pelo fluxo de Krebs, é importante que consideremos a reação que antecede o ciclo, catalisada pelo PDH, que é a reação 
de conversão de piruvato a Acetil-CoA. Essa reação é bastante complexa porque necessita da funcionalidade em conjunto 
de três enzimas desse complexo, e de cofatores que funcionem como grupo prostéticos dessas enzimas para que o 
mecanismo da reação aconteça e seja gerada a Acetil-CoA. Destaca-se a importância da suplementação vitamínica, pois 
essas vitaminas são precursores dessas formas coenzimicas ativas que observamos, que são 5 necessárias para que o 
complexo PDH ocorra de maneira organizada e haja a formação de Acetil-CoA e o ciclo de Krebs. 
O nosso foco é justamente os moduladores, sendo os vermelhos os 
moduladores alostéricos negativos. Podemos observar que quando se 
acumula ATP há uma carga energética favorável, sendo a PDH um 
ponto de controle e é um ponto crucial para o controle metabólico 
e o ATP, momentaneamente, atua como modulador negativo para 
desacelerar a produção de mais ATP. O mesmo ocorre com o NADH, 
sendo que o balanço redox favorecendo o aumento dos níveis de NADH mitocondrial de tal modo que ocorra uma 
desaceleração por meio dessa coenzima que atuará como modulador alostérico no sítio regulador do complexo PDH. 
Também há modulação pelo próprio produto da reação, o Acetil-CoA, sendo que essa substância pode ser gerada por 
outras moléculas nutrientes, e essa Acetil-CoA servirá como modulador da reação. Esse nível de relevância de regulação 
metabólica é justamente para otimizar o destino dos produtos formados e o aporte energético da célula, evitando 
desperdício tanto de substrato gerado pelas reações quando de energia de ATP. 
Por outro lado, as moléculas em verde sinalizam uma baixa carga energética (AMP) e uma baixa carga redox 
(predominância de NAD+). O fato dessas moléculas estarem em alta concentração sinaliza o fato da necessidade da 
retomada da via, tornando claro que essas substâncias estão promovendo um ajuste conformacional na molécula da 
enzima PDH de tal modo que favoreça a retomada de processamento do substrato. 
Há outra estratégia de modulação de PDH através por modificação covalente reversível. 
Nesse caso, temos que no fígado é possível essa ação e na imagem observamos no ciclo a 
transição de conformação do complexo piruvato-desidrogenase ativa desfosforilada e, na 
direita, o piruvato desidrogenase inativa através da fosforilação. A insulina, que é o hormônio 
circulante no estado alimentado, sinaliza o aporte nutricional e resulta em uma resposta 
intracelular, nesse caso, envolvendo PDH, que é a desfosforilação. Hora retira-se o fosfato 
por ação de fosfatases, hora pela PDK, que irá fosforilar. Se a insulina está circulante, haverá 
ativação da PDH e, se estiver ausente, haverá desativação. 
O cálcio destacado em verde é um importante modulador alostérico da PDH no músculo 
esquelético, que sinalizará que a fibra muscular necessita de um aporte energético. 
 
 
 
 
 
Dando continuidade à essa linha de raciocínio, observando a imagem do ciclo 
de Krebs, vemos que a continuidade das reações nos permite observar os 
principais pontos de modulação. A primeira enzima do ciclo é a citrato sintase 
e já se presume que a Acetil-CoA, juntamente com Oxaloacetato, são 
substratos que estão movimentando essa rota cíclica. A citrato sintase é uma 
enzima alostérica, sendo modulada pela carga energética, sendo que os níveis 
de ADP sinalizam que são necessários o ciclo e a presença de NADH sinaliza 
que há níveis elevados da coenzima reduzida, desacelerando o processo. 
Observamos também uma regulação das demais enzimas, como a isocitrato 
desidrogenase, a alfacetolutarato desidrogenase tanto pela carga energética 
quanto pelo balanço redox, além de ligantes, como o cálcio. O cálcio é 
modulador principalmente nas fibras musculares. 
Regulação do ciclo de Krebs 
As enzimas do ciclo de Krebs são extremamente importantes para o perfil metabólico e mecânico da fibra muscular 
esquelética. 
A inibição da piruvato desidrogenase no jejum ou na atividade física (condições de falta de nutrientes) seleciona o substrato 
a ser preferencialmente consumido, a glicose ou ácido graxos. Isso ocorre porque, eu uma situação de depleção de 
açúcar, o principal combustível será o ácido graxo, não sendo produzido piruvato, apenas o Acetil-CoA direto. Sendo 
assim, o complexo enzimático PDH é importante e bastante ativado desde que a molécula nutriente não seja ácido graxo, 
mas sim açúcar ou alguns tipos de aminoácidos. Essa estratégia é crucial para a economia de glicose para o cérebro e 
para as hemácias. 
 
Papel do ciclo TCA nas reações anapleróticas 
 
Sombreados em azul, há os 
principais componentes que são 
derivados a partir dos derivados 
gerados durante o ciclo de Krebs. A 
partir dessa imagem, vamos 
observar esse ciclo como uma via 
anfibólica, sendo claro a necessidade 
de desvio de alguns intermediários 
do ciclo. Em condições metabólicas 
normais, ocorrem desvios desses 
intermediários para a síntese das 
outras moléculas em azul. 
É importante ressaltar é que 
reações anapleróticas literalmente 
significam reações de 
preenchimento, sendo que as setas 
em vermelhos há a exemplificação 
dessas reações e nos humanos há 
a importância da reação da 
conversão de piruvato em oxaloacetato, sendo uma reação de reposição, sendo catalisada pela enzima piruvato 
carboxilase. Temos, então, que se o Oxaloacetato for desviado para a síntese de outros componentes, como aminoácidos 
e glicose,caracteriza a necessidade de um controle de níveis glicêmicos, então, dependendo do nível de energia, há a 
necessidade de ativação de ciclo de Krebs, por meio do desvio de oxaloacetato, que é um dos substratos fundamentais 
juntamente com Acetil-CoA para a ativação de ciclo de Krebs. Sendo assim, em ambientes críticos de desvio de 
oxaloacetato, há reposição por conversão de piruvato. 
Outra coisa muito importante é que o Acetil-CoA, quando em excesso, inibe a ação de PDH, porém, ativa a piruvato 
carboxilase, sendo assim caracterizada como um modulador versátil. 
 
 
 
 
 
 
Regulação da cadeia transportadora de elétrons 
 
A ação de inibidores e a 
ação de desacopladores 
influenciam na formação 
de gradiente de prótons 
(síntese de ATP) e na 
redução do oxigênio para 
formar a água. 
Na tabela estão 
destacados os principais 
compostos que 
interferem nos eventos 
da cadeia transportadora 
de elétrons. 
 
 
Temos a apresentação dos principais pontos em que os inibidores atuam, destacados a rotenona, antimicina A e o cianeto 
e monóxido de carbono, impedindo a redução do oxigênio molecular. Essa inibição coloca em risco a vida celular, uma 
vez que o oxigênio é um importante agente oxidante, que gera espécies reativas de oxigênio, portanto, a inibição por 
esses compostos é prejudicial à célula. 
 
Inibição do Citocromo C oxidase 
 
Uma outra estratégia de controle da cadeia transportadora de elétrons é pela inibição do citocromo c oxidase (complexo 
4). Dois importantes inibidores tóxicos para esse complexo 4 são o gás cianeto e o monóxido de carbono. O cianeto 
possui afinidade pelo ferro presente na estrutura da enzima no estado férrico e, ao se ligar ao estado do ferro, bloqueia 
a principal função do complexo 4 que é justamente de finalizar a transferência de 
elétrons para reduzir o oxigênio molecular em água. O monóxido de carbono também 
é um inibidor da passagem de elétrons para o oxigênio. O cianeto, além de inibir o 
complexo 4 da cadeia transportadora de elétrons, inibe também a ligação do oxigênio 
ao grupo Heme da hemoglobina, impedindo o carreamento e a disponibilidade de 
oxigênio para os tecidos. 
O monóxido de carbono, por sua vez, também exerce efeito competitivo pela ligação 
com a hemoglobina, gerando alterações conformacionais da proteína, alterando a curva 
de saturação e consequentemente prejudicando a liberação de oxigênio para os 
tecidos periféricos. 
O nosso foco, portanto, é a ação desses gases na cadeia transportadora de elétrons. 
 
 
 
 
Ação da Metformina como inibidora da cadeia transportadora de elétrons 
 
A Metformina é um fármaco que atua como inibidor sobre o complexo 1 da cadeia. Esse fármaco apresenta um efeito 
desejado hipoglicemiante. Ao inibir o complexo 1 da cadeia transportadora de elétrons, desacelerara a produção de ATP 
e os níveis de AMP irão se acumular, ativando outras enzimas que melhorarão a sensibilidade dos tecidos pela ação da 
insulina. Esse baixo nível energético, se por um lado é ruim da célula, por outro é melhor para a ação da insulina e para a 
captação de glicose. 
 
 
 
 
 
 
O complexo 4, que é a citocromo c oxidase, é sensível pela modulação tanto pela carga energética quanto pelo balanço 
redox. Portanto, se houver níveis elevados NADH a enzima estará na sua conformação ativa e cumprindo seu papel de 
redução de oxigênio para formar água. Por outro lado, se houver uma depleção da carga energética com prevalência de 
ADP, o complexo também estará ativo, favorecendo a ocorrência natural da cadeia. 
Isso é importante pois o complexo 4 é um dos bombeadores de prótons para o espaço intermembranas, que é justamente 
o que gerará o gradiente de concentração de prótons nesse espaço, impulsionando a força próton-motriz, fazendo com 
que o processo de ATPase seja ativado para síntese de ATP. 
Outro ponto de controle é a ATP sintase (complexo 5) e, quando a célula está em hipóxia, como em um ataque cardíaco, 
a transferência de elétrons e o bombeamento de prótons fica mais lenta, gerando menor carga energética. Dessa forma, 
a força próton-motriz se desforma e para evitar uma queda catastrófica dos níveis de ATP ocorre a modulação da 
ATPase por uma proteína chamada de IF1, que é um inibidor da ATPase, e impede que ocorra a hidrólise de ATP. Essa 
proteína é ativa nas condições de pH abaixo de 6,5 justamente devido ao acionamento de um alto consumo de glicose 
por fermentação, que gera acúmulo de ácido, reduzindo o pH. 
 
 
 
 
Espécies reativas de oxigênio são geradas durante a fosforilação oxidativa 
 
O descontrole entre a taxa de entrada de elétrons na cadeia respiratória e a taxa de transferência de elétrons ao longo 
da cadeia. 
Em mitocôndrias que respiram ativamente, de 0,1 a 4% do oxigênio utilizado na respiração formam ânions superóxido O2-
, sendo mais que o suficiente para gerar efeitos letais 
A formação dessas espécies reativas de oxigênio é favorecida quando: 
• As mitocôndrias não estão produzindo ATP (por falta de ADP ou de O2) e, portanto, tem grande força próton-
motriz e elevada razão QH2/Q 
• Há uma alta razão de NADH/NAD na matriz. Nessas situações, a mitocôndria está sob estresse oxidativo. 
 
Produção de ERO e mecanismos de defesa 
 
Em destaque, temos os mecanismos de defesa, que são mecanismos enzimáticos, como a superóxido dismutase – SOD1 
bem como o ciclo Glutationa Redutase/Peroxidase. Esse ciclo envolve obrigatoriamente uma molécula protagonista que é 
a Glutationa GSH. Observamos que, durante o fluxo normal de elétrons e o bombeamento de prótons, cerca de 4% 
desses elétrons escapam desse fluxo e sobretudo da redução da coenzima Q, e, nesse ponto, pode haver uma redução 
parcial do oxigênio, formando o aníon superóxido que será convertido por meio de uma reação de Phenton na presença 
de Fe2+ contribuirá para a formação de radical hidroxila. O ânion superóxido, então, é o alvo da SOD1 e o produto da ação 
da SOD é o peróxido de hidrogênio, que é uma molécula que se difunde pela membrana e é facilmente dispersa no 
ambiente celular, no entanto, é uma molécula que também pode formar reativos de oxigênio, sendo necessário que o 
peróxido de hidrogênio também seja neutralizado. Para isso há o segundo mecanismo de defesa, chamado de ciclo 
metabólico Glutationa redutase/peroxidade, e é metabólica devido ao envolvimento da Glutationa. Por meio desse ciclo 
ocorrerá a formação de água às custas dos equivalentes redutores do tripeptídeo GSH, que permitirá a liberação de 
água, com a retirada de cena do peróxido de oxigênio. A GSSG é a glutationa na sua forma oxidada, que precisa ser 
regenerada. Para que essa regeneração da glutationa ocorra é necessária a disponibilidade da coenzima NADPH. 
O estresse oxidativo, faz com que muitas proteínas, inclusive enzimas, fique na sua forma inativa, justamente porque quem 
sofre a ação desse estresse são os grupos tiois de aminoácidos e da cisteína, que faz parte da molécula de proteína. O 
tripeptídeo, então, é crucial para reativação de muitas enzimas celulares. 
 
Efeito de desacopladores na cadeia transportadora de elétrons. 
 
Temos em destaque uma proteína que acaba funcionando como ionóforo, chamada de UCP, sendo uma família de 
proteínas desacopladoras incrustadas na membrana mitocondrial interna de muitos tipos celulares e essas UCPs são 
conhecidas também como termogênicas e elas formam canais na membrana mitocondrial interna que permite a reentrada 
de prótons para a matriz mitocondrial sem passar pelo complexo da ATP-sintase. Isso permite a oxidação contínua de 
combustível, como ácidos graxos nos adipócitos marrons, sem síntese de ATP e dissipando a energia na forma de calor 
e consumindo as calorias da dieta ou as gorduras armazenadas em grandes quantidades. Em suma, as UCPs bloqueiam o 
gradiente de prótons, crucial para a ativação do complexo 5. 
 
As UCPs que se destacam por mais estudos e detalhes são: 
UCP1 – Induz uma termogênese adaptativaao frio, sendo muito abundante no tecido adiposo marrom. 
UCP5 – Proteína desacopladora e já foi atribuída a ela a proteção ao estresse oxidativo. Ao mesmo tempo que a presença 
dessas UCPs estimulam um consumo muito maior de nutrientes, ocorre dissipação em forma de calor. A função atribuída 
à UCP5 é minimizar o escape de espécies reativas de oxigênio pelo funcionamento da cadeia transportadora de elétrons. 
No entanto, vale ressaltar que a UCP5, como todos os outros tipos, exceto a UCP1, ainda estão em estudos. Portanto, a 
UCP1 é a forma mais estudada das UCPs. 
 
Tecido Adiposo Branco X Tecido Adiposo Marrom 
 
Ambos os tecidos apresentam metabolismo glicolítico ativo, oxidam piruvato e ácido graxos pelo ciclo do ácido cítrico e 
ativam a fosforilação oxidativa. No adipócito branco há uma gotícula de gordura grande ocupando a maior parte da célula 
e poucas mitocôndrias. No adipócito marrom há a presença de muitas mitocôndrias, com gotículas de gotículas menores. 
A principal função das mitocôndrias no adipócito marrom é a termogênese.