Metabolismo Aeróbio 2

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Metabolismo Aeróbio 
Os piruvatos, por meio de carreadores 
específicos, entram na mitocôndria e sofrem 
descarboxilação (1CO​2 de cada piruvato), criando 2 
Acetil-CoA, o qual passa pelo ciclo do ácido cítrico. 
 
Etapa 1 - Produção de Acetil-CoA 
A enzima ​Complexo da piruvato 
desidrogenase (PDH)​, exclusiva da matriz 
mitocondrial, catalisa reações sucessivas de 
metabolização do piruvato, que faz a descarboxilação 
oxidativa (CO2) do piruvato, gerando Acetil-CoA 
(contém 2 carbonos). 
A PDH contém 3 enzimas, E1, E2 e E3, com 
sítios catalíticos próprios e por demanda dos seus 
cofatores. Esse complexo, para que possa fazer essa 
descarboxilação, necessita de 5 coenzimas 
participando da reação: CoA, NAD​+​, TPP, Lipoato e 
FAD, sendo que apenas o NAD​+ funciona como 
cofator transitório, as demais enzimas são grupos 
prostéticos da PDH. Com essa reação, há a formação 
também de NADH. 
Esse processo é essencialmente irreversível 
(DeltaG < 0). 
 
 
OBS! ​A deficiência de tiamina (E1), compromete a 
ação catalítica do PDH, fazendo com que não haja a 
descarboxilação do piruvato, criando um déficit 
energético, perda de funções neurais, o que caracteriza 
a condição do beribéri. 
 
Etapa 2 - Oxidação do Acetil-CoA 
O acetil-CoA, por meio de reações 
enzimáticas, se associa ao oxaloacetato (4 carbonos), 
formando o citrato (6 carbonos). Posteriormente, com 
a passagem pelo ciclo de Krebs, há a descarboxilação 
oxidativa dos intermediários (libera 2CO​2​) e há a 
formação de carreadores de elétrons, NADH e 
FADH​2​. 
Com relação à velocidade desse ciclo, 3 
fatores se destacam: 
● Disponibilidade dos substratos: para que a 
reação ocorra, é necessário uma 
disponibilidade de substratos. 
● Necessidade de intermediários do ciclo TCA 
como precursores biossintéticos: alguns 
intermediários desse ciclo podem ser 
desviados para participarem de outras rotas 
biossintéticas. 
● Demanda por ATP 
 
O ciclo de Krebs ocorre em 8 reações 
enzimáticas, sendo uma rota cíclica que não pode 
parar; trata-se de uma via anfibólica (apresenta dois 
papéis): estimula as reações catabólicas (estimula o 
catabolismo da glicose) e as rotas anabólicas (síntese 
de intermediários que podem ser utilizados em outras 
vias). A conservação de energia ocorre por meio das 
coenzimas (NAD​+ e FAD​+​, as quais serão reduzidas) e 
fosforilação ao nível de substrato. Nesse processo, 
além da formação das coenzimas e do GTP, há 
liberação de prótons, os quais serão utilizados na 
cadeia respiratória. 
 
 
Etapa 3 - Transferência de elétrons e fosforilação 
oxidativa 
As coenzimas NADH e FADH​2 formadas pelo 
ciclo de Krebs são reoxidadas na cadeia respiratória 
de elétrons, as quais liberam um e​- e H​+ , favorecendo 
condições, por meio da cadeia de transporte de 
elétrons, para a síntese de ATP, gerando H2O como 
resíduo. 
A relação ADP:O é o poder de fosforilação de 
ADP mediante o consumo (redução) do oxigênio em 
H​2​O; o NADH apresenta ADP:O de 2,5; já o FADH​2 
apresenta 1,5 (ou seja, pode formar 1,5 ATP). 
A cadeia transportadora de elétrons é formada 
por 4 complexos, por uma coenzima Q (presente na 
membrana interna da mitocôndria) e por um 
citocromo C. 
O Complexo I (NADH desidrogenase) catalisa 
a transferência de equivalentes redutores (e- e H​+​) da 
NADH para a coenzima Q (composto lipofílico dentro 
da membrana); já o Complexo II (succinato 
desidrogenase) transfere os equivalentes redutores do 
FADH​2 para a coenzima Q; já o complexo III, recebe 
esses equivalente da coenzima Q e os transfere para o 
citocromo C (proteína periférica que garante esse 
fluxo de e-), a qual, por sua vez, transfere os e- para o 
Complexo IV, que os leva para a redução do O​2 (+ 
2H​+​) em água metabólica. Enquanto ocorre essa 
transferência de elétrons, os complexos utilizam a 
energia desse composto para bombearem prótons para 
espaço intermembrana. 
O fluxo de elétrons entre os complexos ocorre 
pela presença de grupos de ferro, enxofre, cobre, bem 
como de outras coenzima, aos quais fazem garantem a 
manutenção do potencial redox, a fim de carrear os e- 
até a redução com o O​2​. Com o extravasamento de 
prótons para o espaço intermembranas, é formado um 
potencial químico (alcalino o lado interno) e elétrico 
(negativo lado interno) entre o espaço intermembrana 
e interno da membrana, o qual permite que haja a 
síntese de ATP impulsionada pela força próton-motriz 
criada. Essa força criada pelo retorno de prótons à 
membrana interna é utilizada pelo complexo V para 
fosforilar o ADP em ATP. 
 
Lançadeiras - destino dos NADH formados no 
citosol 
A participação da coenzima NADH citosólica 
para o saldo energético é feito por lançadeiras, que 
são proteínas acopladas à membrana mitocondrial 
interna, as quais fazem a comunicação entre o citosol 
e a matriz mitocondrial; são 2 lançadeiras principais: a 
glicerol-3-fosfato e a malato aspartato. 
 
Lançadeira Glicerol-3-fosfato 
O complexo enzimático glicerol-3-fosfato, que 
é muito presente e ativo no encéfalo e músculo 
esquelético. Por meio da enzima 
glicerol-3-fosfato-desidrogenase citosólica, ocorre a 
transferência dos coeficientes redutores do NADH + 
H​+ (gerado na etapa 6 da glicólise) para a triose 
Di-hidroxiacetona-fosfato (DHAP), que gera como 
produto a glicerol-3-fosfato, que, por sua vez, 
transfere os seus coeficientes redutores (H​+ + H​- = H​2​) 
para o grupo prostético FAD (que vira FADH2) da 
enzima glicerol-3-fosfato-desidrogenase mitocondrial 
(acoplada ao lado externo da membrana interna), 
formando novamente o Di-hidroxiacetona-fosfato. 
Esse FADH2 adquirido cede os coeficientes redutores 
para a coenzima Q (ubiquinona) presente na 
membrana interna da mitocôndria, dando 
continuidade ao fluxo de elétrons no sistema da cadeia 
transportadora de elétrons. 
 
Lançadeira Malato-Aspartato 
É uma lançadeira ativa em fígado, rins e 
coração. 
Essa lançadeira se inicia com a formação do 
malato na via de krebs, o qual é rapidamente formado 
em oxaloacetato com a formação de um NADH + H​+​; 
este composto é desviado do ciclo de krebs e forma o 
aspartato, por meio da reação com o glutamato (que 
forma o alfa-cetoglutarato), catalisada pelo 
aspartato-aminotransferase; assim, o aspartato é 
transportado para o espaço intermembrana pela 
transportador de glutamato-aspartato, onde é 
convertido novamente em oxaloacetato, por meio da 
reação com o alfa-cetoglutarato (que forma o 
glutamato), catalisada pela mesma enzima da outra 
reação (reação reversível - tende a direções diferentes 
de acordo com o meio citosólico ou na matriz); esse 
oxaloacetato é convertido em malato (com a utilização 
dos equivalentes redutores do NADH + H​+ citosólico, 
advindo da glicólise); dessa forma, este composto é 
transferido para a matriz mitocondrial pelo 
transportador de malato-alfa-cetoglutarato, onde é 
convertido novamente em oxaloacetato, completando 
ciclo e dando continuidade ao ciclo de krebs. Sendo 
assim, é perceptível que essa lançadeira criou um 
ciclo, onde ela transfere o NADH + H​+ citosólico para 
a matriz mitocondrial, por meio desses compostos 
carbonados intermediários. 
 
 
OBS! ​Observar queentre as duas lançadeiras, a 
lançadeira de malato-aspartato é mais eficiente que a 
lançadeira glicerol-3-fosfato, já que a primeira 
transfere o NADH citosólico para a matriz sem perda 
(forma 2,5 ATP), já a outra lançadeira converte o 
NADH citosólico em FADH2 (que forma somente 1,5 
ATP) 
 
OBS! ​Oxidação de 1 mol de glicose = 2849 KJ/Mol 
energia; já no metabolismo aeróbio, que forma 32 a 
30 ATP, 32 ATP x 30,5 KJ/Mol = 976 KJ/Mol. 
Assim, a eficácia do metabolismo aeróbio é de 34% 
na geração de energia pelas células em condição 
padrão. 32 ATPs são formados nos locais da 
lançadeira malato aspartato, já 30 ATPs são formados 
nos locais de lançadeiras glicerol-3-fosfato. 
 
Regulação do Ciclo de Krebs 
O fluxo de átomos de C do piruvato através do 
ciclo é estreitamente regulado em 2 níveis: 
1. Conversão de piruvato em acetil-CoA, pelo 
complexo PDH (piruvato desidrogenase) 
2. Entrada de Acetil-CoA no ciclo: é um fator 
limitante para o controle/fluxo da via. 
 
OBS! ​A oxidação dos nutrientes converge para a 
formação do Acetil-CoA 
 
Já com relação à velocidade do ciclo, 3 fatores 
se destacam: 
● Disponibilidade de substrato 
● Necessidade de intermediários do ciclo de 
Krebs como precursores biossintéticos 
● Demanda por ATP 
OBS! ​Vale ressaltar que o NAD​+ atua como um efetor 
alostérico de diversas enzimas do ciclo de Krebs 
(coenzima), pois, para funcionar, é necessário esse 
aceptor de elétrons para criar os produtos 
intermediários do ciclo 
 
Regulação da Produção de Acetil-CoA 
Trata-se de uma reação complexa, pois 
necessita de um conjunto de 3 enzimas acoplados a 
cofatores que funcionam como grupos prostéticos às 
enzimas. 
Os moduladores negativos (alostéricos 
negativos ou efetores alostéricos negativos) são 
componentes que desestimulam/desaceleram essa 
reação em questão; os principais moduladores (-) são: 
o ATP (já tem muita energia), NADH (balanço redox 
desfavorável) e Acetil-CoA (já tem muito produto, 
provavelmente de outras vias - pool de Ac-CoA). Já 
os moduladores positivos são o AMP (a célula 
apresenta baixa carga energética) e o NAD+ (balanço 
redox favorável). Esses moduladores atuam na 
modulação da PDH (velocidade da sua atividade 
catalítica) e são importantes para otimizar os destinos 
dos produtos formados, otimizar o aporte energético 
da célula, evitando desperdício de produtos e de 
energia química. 
Uma outra forma de regulação da PDH é por 
modificação covalente reversível, que ocorre no 
fígado e nos mms. esqueléticos. Essa regulação, 
ocorre por meio da fosforilação da PDH, pois a ação 
da insulina nos hepatócitos resulta em várias respostas 
intracelulares, a qual uma delas é a desfosforilação da 
PDH pela ativação da enzima PDP (piruvato 
desidrogenase fosfatase), que ativa a PDH e promove 
a produção de Acetil-CoA, a fim de diminuir o índice 
glicêmico do sangue. Dessa forma, se ocorrer 
diminuição dos níveis de insulina no sangue, ocorre 
aumento dos moduladores negativos e diminuição do 
substrato piruvato, ativando a 
enzima PDK (piruvato 
desidrogenase cinase), que 
fosforila a PDH, 
inativando-a, para evitar que 
ocorra uma maior diminuição 
dos índices glicêmicos do 
sangue. 
No músculo esquelético, 
o Cálcio funciona como 
modulador alostérico positivo da PDP, 
demonstrando aos miócitos que é necessário a 
produção de ATP (balanço energético positivo). 
Algumas outras enzima do ciclo de krebs, 
como a citratosintase (que catalisa a produção do 
citrato), também apresentam moduladores 
alostéricos iguais a PDH, para o ATP e NADH (-) e 
para o ADP e Ca (+). 
 
OBS! ​A inibição da PDH no jejum e na atividade 
física, momentos de baixa quantidade de glicose no 
organismo, seleciona o substrato a ser 
preferencialmente consumido, que será o ácido 
graxo, pois para a produção do Acetil-CoA com tal 
nutriente, não é necessário a produção de piruvato, o 
que torna desnecessário a utilização da PDH. Esse 
estratégia é crucial para a economia de glicose para o 
cérebro e hemácias (só faz fermentação). 
 
Papel do ciclo TCA nas reações anapleróticas 
Diversos intermediários do ciclo de krebs são 
desviados para a formação de outros compostos 
(caráter anfibólico). Assim, com esses desvios, ocorre 
a falta de intermediários para terminar o ciclo. Logo, é 
necessário essas reações anapleróticas (de 
preenchimento, ou seja de reposição), como a reação 
de transformação do piruvato em oxaloacetato ou em 
malato. 
 
Regulação da cadeia transportadora de elétrons 
Os compostos que regulam a cadeia 
transportadora de e​- estão detalhados na tabela. É 
interessante dar destaque ao cianeto, monóxido de 
carbono, oligomicina e termogenina. 
 
 
A atuação da citocromo c oxidase (Complexo 
IV) é inibida pelo CN, que tem afinidade pelo Fe​+3 
dessa enzima, bloqueando o papel de finalizar a 
transferência de elétrons para o O​2​. 
O fármaco metformina atua como inibidor do 
complexo I da cadeia transportadora de elétrons, 
criando um baixo nível energético nas células, 
trazendo efeitos de melhora da ação da insulina e 
melhora na internalização da glicose. 
 
OBS! ​O CO se liga também à hemoglobina e 
ocupando o espaço que poderia ser ocupado pelo O2. 
 
O citocromo c oxidase estará mais ativo em 
altas [NADH] (tem muitos cofatores a serem 
oxidados) e com altas concentrações de ADP + Pi. 
Quando uma célula está em hipóxia, como em 
um ataque cardíaco, a transferência de elétrons para o 
oxigênio fica mais lenta, da mesma forma que o 
bombeamento de prótons. Então, nessa situação, 
ocorreria um aumento da [H​+​] na matriz mitocondrial; 
assim o Complexo V (ATP sintase), iria começar a 
funcionar de maneira reversa, devido à força 
eletromotriz dos H​+ querendo passar para a face 
intermembranas; logo, esse complexo iria começar a 
clivar o ATP existente na matriz em ADP + Pi (fazer 
sua atuação reversa). Dessa forma, para evitar essa 
situação de diminuição drástica de ATP, a proteína 
IF1 (que é ativada em pH abaixo de 6,5 - situação que 
ocorre em hipóxia, pela produção de ácido lático) 
inibe a atuação da ATP sintase. 
 
Espécies reativas de oxigênio são geradas durante 
a fosforilação oxidativa 
Em mitocôndrias que respiram ativamente, 
cerca de 0,1 até 4% do O​2 utilizado na respiração 
formam ânion superóxido (O​2​-​) - mais do que o 
suficiente para ter efeitos letais. Então, a formação de 
EROs é favorecida quando: 
● As mitocôndrias não estão produzindo ATP 
(por falta de ADP ou de O​2​) e portanto, têm 
grande força próton-motriz e elevada razão 
QH2/Q. 
● Há uma alta razão NADH/NAD (ou seja, alta 
[NADH]) na matriz; nessas situações, a 
mitocôndria está sobre um estresse oxidativo. 
Assim, existem mecanismos de defesa para 
evitar a produção dessas EROs, como a superóxido 
dismutase (SOD) e a ciclo glutationa 
redutase/peroxidase. 
1. SOD: transforma o ânion superóxido em H​2​O​2 
2. Glutationa redutase/peroxidase: A 
glutationa-peroxidase faz a formação de água 
com a utilização do peróxido de H, às custas 
dos equivalentes redutores da glutationa (GSH 
- glutationa reduzida), oxidando a glutationa 
(GSSG); assim a glutationa-redutase reduz a 
GSSG com a utilização da coenzima NADPH 
(que vira NADP​+​),restabelecendo os níveis de 
GSH. 
 
 
OBS! ​O estresse oxidativo faz com que muitas 
proteínas fiquem em seu estado inativado, pois no 
estresse oxidativo os grupos tióis presentes no 
aminoácido cisteína são oxidados; assim, a glutationa 
(tri-peptídeo) também é importante por reduzir 
novamente esses grupos tióis, ativando a molécula 
novamente. 
 
Efeitos de desacopladores na cadeia 
transportadora de elétrons 
As proteínas desacopladoras (UCP), 
conhecidas também como termogeninas, permitem a 
reentrada de prótons para a matriz mitocondrial sem 
passar pelo complexo V (ATP sintase). Isso permite a 
oxidação contínua de combustível (ácidos graxos com 
adipócitos marrons) sem síntese de ATP, dissipando, 
então, a energia na forma de calor e consumindo as 
calorias da dieta ou as gorduras em grandes 
quantidades. 
Essas UCPs impedem a formação da força 
próton-motriz para a ativação da ATP sintase. A 
função dessas proteínas é de termogênese adaptativa 
ao frio (UCP1 - abundante em tecido adiposo 
marrom) e para proteção ao estresse oxidativo (UCP5 
- já que impede o funcionamento da cadeia 
transportadora corretamente). 
 
OBS ​Tecido adiposo branco e tecido adiposo marrom 
possuem metabolismo glicolítico ativo, oxidam 
piruvatos e ácidos graxos pelo ciclo do ácido cítrico e 
fazem fosforilação oxidativa. Todavia, o adipócito 
branco tem muito mais gordura que o adipócito 
marrom, o qual tem bem mais mitocôndrias, 
apresentando a função de gerar calor (termogênese), 
devido à prevalência de termogeninas.