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Descrever o ciclo de Krebs, considerando a regulação enzimática e hormonal Correlação clínica Fluoracetato/Composto 1080 ➜ veveno potente e letal, já foi muito usado como raticida, é um pro-farmaco. Mecanismo de ação O Fluoracetato se liga a CoA ➜ vira Fluoracetil-CoA ➜ pode entrar no ciclo de Krebs e se ligar ao oxalacetato ➜ a citratosintase realiza essa reação do Fluoracetil-CoA + oxalacetato = Fluorcitrato ➜ se liga a outra enzima (aconitase) mas não produz nenhum outro composto. Resultado ➜ o fluoracetato inibe uma das enzimas do ciclo de Krebs (aconitase) ➜ não permite que o ciclo de Krebs continue. Consequências do fluoracetato no ciclo de Krebs Ciclo de Krebs/ciclo do ácido cítrico/ciclo do citrato/ciclo dos ácidos tricarboxílicos Visão geral • A glicose não é completamente oxidada na glicólise (oxidação parcial) ➜ ocorre então a oxidação do piruvato liberando CO2 ➜ o CO2 é um subproduto da oxidação da glicose (liberado na espiração humana) ➜ piruvato é convertido em acetil CoA, liberando CO2 ➜ Acetil CoA é uma molécula ativa que vai participar do ciclo de Krebs ➜ a molécula CoA pode vir da glicose ou da degradação dos ácidos graxos ➜ a CoA é o substrato que vai se ligar ao piruvato formando a acetil CoA. • O ciclo de Krebs serve para gerar ATP (energia) ➜ funciona junto com a cadeia respiratória(fosforilação oxidativa) ➜ o ciclo de krebs ocorre na matriz mitocondrial e a glicólise no citoplasma ➜ são separas pelas membrana externa e interna da mitocôndria ➜ o piruvato consegue atravessar a membrana externa mas precisa do auxílio de uma proteínas de membrana pra atravessar a membrana interna ➜ nas cristas mitocondriais é onde ocorre o processo relacionado a cadeia transportadora de e-. OBS: A mitocôndria pode se encontrar em maior quantidade em tecidos e órgãos que requerem mais energia ➜ cauda do spz, tecido muscular cardíaco. • Ciclo de Krebs produz ➜ CO2 ➜ com o C proveniente da Acetil CoA ➜ transportadores com e- energizados (NADH+) ➜ o H é oriundo da Acetil CoA (H ricos em energia) ➜ o NADH transporta os e- até a cadeia respiratória para que ocorra a fosforilação oxidativa ➜ produz ATP ➜ ATP será utilizado nas atividades celulares ➜ nesse processo de fosforilação oxidativa é necessário O2, advindo da respiração ➜ esse O2 será convertido em água. Funções do ciclo de Krebs - Oxidar acetil CoA em CO2 e água - Fornecer e- para a cadeia respiratória. - Gerar muita energia (ATP) - Produz intermediários precursores de compostos bioquimicamente importantes. Características do ciclo de Krebs - É um ciclo metabólico ➜ começa com uma determinada molécula ➜ essa molécula sofre transformações ➜ é regenerada no final do ciclo. - Só ocorre em aerobiose (presença de O2). - É comum no metabolismo de carboidratos, lipídeos e proteínas. - É uma via anfibólica (atua com catabolismo e anabolismo) ➜ degrada acetil CoA em CO2 + água (catabolismo) e os intermediários são usados na síntese de outros compostos (anabolismo). Vias de desgaste/vias que o ciclo de Krebs produzem outros compostos além de ATP - O ciclo de Krebs sintetiza muitos aa não essenciais, glicose, ácidos graxos e nucleotídeos. Vias de reforço/via dos intermediários usados para sintetizar os compostos da via de desgaste - Degradam aa ➜ podem ser aa glicogênicos (os verdes) ➜ são usados para a síntese de glicose (gliconeogênese) - Podem ser aa cetogênicos (em azul) ➜ utilizados para a síntese de corpos cetônicos - Os de rosa são aa que podem sintetizar os dois (corpos cetônicos ou glicose), depende da necessidade da célula. Vias anapleróticas/de reposição ➜ via de reações que visa aumentar a concentração de ácido oxalacético ➜ isso ocorre quando aumenta a produção de acetil CoA ou quando há um desvio dos intermediários do ciclo de Krebs para outras vias metabólicas ➜ o que deixaria o ciclo de Krebs sem intermediários para executar a sua função de produzir ATP Como ocorre o Ciclo de Krebs Visão geral do ciclo de Krebs Acetil CoA (possui 2C) reage com o oxalacetato (possui 4C) ➜ gera o citrato (6C) ➜ citrato vira isocitrato (6C) ➜ isocitrato será descarboxilado (gera NADH + H (que é energia) e há a produção de CO2) e vira alfa- cetoglutarato (5C) ➜ o alfa- cetoglutarato será descarboxilado (gera NADH + H (que é energia) e há a produção de CO2) e vira Succinil CoA (4C) ➜ o Succinil CoA vira succinato (4C) e libera a CoA (esse processo de liberação da CoA sintetiza um GTP) ➜ o Succinato vira fumarato (4C) (nesse processo é sintetizado um FADH2) ➜ o fumarato vira malato (4C) ➜ o malato vira oxalacetato (4C) (esse processo sintetiza um NADH + H). • Há 3 pontos do ciclo em que há síntese de NADH ➜ é um transportador de alta energia ➜ será levado para a cadeia transportadora de e- ➜ converte os e- em ATP. • Há a síntese de um FADH2 • Há a síntese de um GTP. Saldo final: 1 glicólise = 2 piruvatos ➜ ocorre 2 ciclos de Krebs (1 para cada piruvato) ➜ esse saldo é multiplicado por 2: - 6 NADH - 2 FADH2 - 2 GTP - Libera 4 CO2 O que entra e o que é produzido no ciclo de krebs Destinos dos subprodutos do ciclo de Krebs - A CoA é regenerada para a acetilação do piruvato - NAD e FAD vão para a cadeia transportadora de e- para doar os seus e- até o O2 produzir ATP - Gás carbônico é eliminado no ambiente - GTP consumido nos processos que gastam energia. Visão detalhada do ciclo de Krebs São 8 reações totais: 1º reação ➜ formação do citrato Acetil CoA reage com o oxalacetato por ação a enzima citrato citase e forma o citrato ➜ essa reação possui delta G negativo (muito espontânea) ➜ essa espontaneidade ocorre pela baixa quantidade de oxalacetato (facilita a reação) 2º reação ➜ formação do isocitrato - A enzima aconitase promove a desidratação do citrato ➜ vira cis- aconitase (que é um intermediário) ➜ depois a enzima aconitase promove a reidratação novamente desse cis- aconitase (trocando as posições da hidroxila e o H) e forma o isocitrato. - O isocitrato é mais facilmente oxidado do que o citrato. - O delta G da reação é positivo (reação não espontânea). 3º reação ➜ oxidação do isocitrato O isocitrato é oxidado pela enzima isocitrato desidrogenase e forma o alfa- cetoglutarato ➜ há a produção de NADH (transportador de energia), devido à descarboxilação do isocitrato (libera CO2) ➜ isso torna a reação espontânea 4º reação ➜ oxidação do alfa- cetoglutarato Ocorre a oxidação do alfa-cetoglutarato + descarboxilação + síntese de NADH + a CoA se ligando ao composto formando o succinil-CoA ➜ esse processo ocorre por ação do complexo alfa-cetoglutarato desidrogenase ➜ a produção do transportador de energia NADH torna a reação espontânea (delta G negativo) 5º reação ➜ succnil-CoA vira succinato - O succinil-CoA possui mais energia que o succinato ➜ o CoA é retirado da molécula pela enzima succinil CoA citase ➜ a energia gerada por essa retirada é capaz de sintetizar um ATP. - GTP vira ATP - O delta G é negativo (reação espontânea). 6º reação ➜ oxidação do fumarato O succinato perde 2 H ricos em energia para o FAD ➜ o FAD vira FADH2 ➜ o succinato após perder 2 H vira fumarato ➜ esse processo é realizado pela enzima succinato desidrogenase. OBS: Succinato desidrogenase ➜ única enzima do ciclo de Krebs associada à membrana mitocondrial interna 7º reação ➜ fumarato vira malato Ocorre a hidratação da dupla ligação do fumarato pela enzima fumarase e vira malato 8º reação ➜ malato vira oxalacetato - Os elétrons H+ são perdidos para o NAD (que vira NADH) por meio da enzima malato desidrogenase➜ forma o composto oxalacetato. - O delta G é positivo (reação não espontânea) ➜ mas se torna espontânea com o consumo do oxalacetato (baixa concentração desse substrato) ➜ a baixa concentração de oxalacetato faz com que o malato seja convertido em oxalacetato. Regulação do ciclo de Krebs - O ciclo de Krebs é regulado, principalmente, pela quantidade de energia (ATP e NADH) ➜ quando a célula tem uma quantidade de energia suficiente não há necessidade da realização do ciclo de Krebs para gerar mais energia e nem de se utilizar os intermediários nesse processo ➜ os intermediários são desviados para a síntese de outras moléculas ➜ assim como as moléculas com pouca energia estimulam o ciclo de Krebs - O Ca2+ estimula o ciclo de Krebs ➜ quando há necessidade de contração muscular o cálcio é deslocado para o músculo ➜ estimula a síntese de ATP para a realização das contrações musculares. Descrever a cadeia respiratória e as substâncias que interferem nesse processo - A cadeia transportadora de elétrons é onde ocorrerá de fato a conversão em ATPs ➜ irá transportar as cadeias do NAD e FAD por meio de complexos proteicos ➜ parte dos elétrons transportados serão utilizados na síntese de ATP. O que é o ATP ? (estruturalmente) O ATP é um nucleotídeo formado por 1 base nitrogenada (adenina) + ribose + 3 fosfatos ➜ o que torna o ATP rico em energia é a ligação entre esses fosfatos ➜ o ATP absorve a energia dos elétrons em energia química. Mitocôndrias defeituosas - As mitocôndrias apresentam seu próprio DNA ➜ alguns genes das mitocôndrias codificam proteínas da cadeia respiratória. - Mutações nos genes mitocondriais causam doenças: Doença 1: Neuropatia óptica Hereditária de Leber (LHON) ➜ é um defeito no gene ND4 do complexo I → troca um aa erroneamente (argenina com histidina) ➜ sem o complexo I a mitocôndria não consegue produzir ATP suficiente ➜ prejudica os neurônios e o SNC (que utiliza de muita energia) ➜ afeta especificamente a região da visão, causa uma perda bilateral da visão. Doença 2: Epilepsia Mioclônica e Doença das Fibras Vermelhas Dilaceradas (MERRF) ➜ ocorre uma mutação no gene responsável pelo RNAt (RNA transportador) que transporta leucina ➜ gera um defeito generalizado de proteínas que contém leucina ➜ sintomas: fraqueza muscular e deterioração do miocárdio ➜ mitocôndria ganha um formato anormal Localização da cadeia transportadora de elétrons na mitocôndria - A cadeia respiratória se localiza na membrana mitocondrial interna ➜ nas cristas mitocondriais. Relações energéticas na cadeia respiratória O complexo I recebe os elétrons do NADH e o complexo II do FADH2 ➜ levam esses elétrons para um transportador de elétrons (proteína ubiquinona/proteína Q) ➜ transporta os elétrons para o complexo III ➜ o complexo III para o citocromo ➜ o citocromo para o complexo IV que vai entregar os elétrons para o O2 ➜ ocorrerá a síntese da água OBS: Ao passar por cada etapa desse processo parte da energia é liberada para a sínese do ATP. Componentes da cadeia respiratória - Complexo I/NADH ubiquinona oxirredutase ➜ formada por 43 polipetídeos, coenzima FMN e 6-7 centros de ferro enxofre ➜ conduzem os elétrons. - Complexo II/FADH2 Ubiquinona exirredutase ➜ possui a enzima succinato desidrogenase, 1 FAD e 1 centro de ferro enxofre ➜ apresenta 1 citocromo b560. - Coenzima Q (CoQ)/Ubiquinona (UQ) - Complexo III/Ubiquinona citocromo c oxirredutase ➜ possui 2 citocromos b, 1 citocromo c, 1 proteína contendo centro de ferro enxofre (proteína de Rieske) - Citocromo C ➜ transportador ➜ está perifericamente ligado ao complexo III - Complexo IV/Citocromo C oxidase ➜ possui 1 citocromo a, 1 citocromo a3 e 2 átomos de Cu Localização dos complexos e proteínas na membrana interna Sítios de fosforilação Direção do fluxo de elétrons e prótons - O NADH entrega seus elétrons para o complexo I e vira NAD ➜ o complexo I transfere os elétrons para a ubiquinona (que é uma proteína que consegue se dissolver na membrana plasmática) ➜ a ubiquinona entrega os elétrons para o complexo III ➜ o complexo III entrega os elétrons para os citocromos (não se dissolve na membrana) (fica na região externa a membrana interna, no espaço intermembranas) ➜ entrega os elétrons ao complexo IV ➜ o complexo IV entrega os elétrons ao O2 que é convertido em água - O FADH2 entrega os elétrons para o complexo II e vira FAD ➜ o complexo II entrega para a ubiquinona ➜ continuação do processo... OBS: o FADH2 e o NADH entregam para complexos diferentes os seus elétrons devido ao nível energético desses complexos ➜ o complexo I possui maior nível energético que o complexo II ➜ o NADH possui maior capacidade de transportar elétrons com maior quantidade de energia, entrega para o complexo com maior nível de energia para uma melhor capacidade de produção de ATP. - Toda vez que os transportadores entregam os elétrons a um desses complexos há a liberação de energia ➜ essa energia abre canais de prótons ➜ esses prótons são transferidos para o espaço intermembranas OBS: o complexo II não possui esse canal ➜ só os outros complexos • 4 p passam da matriz mitocondrial para o espaço intermembrana pelo complexo I • 4 p passam da matriz mitocondrial para o espaço intermembrana pelo complexo III • 2 p passam da matriz mitocondrial para o espaço intermembrana pelo complexo IV. Total: 10 prótons. OBS: Com a migração desse p há uma alteração de PH (acidez) e de carga elétrica Gradiente eletroquímico O PH fica mais ácido no espaço intermembranas (com a migração de p) e a matriz fica mais básica A eletricidade fica positiva no espaço intermembrana e negativa na matriz mitocondrial Cadeia respiratória (CR) e fosforilação oxidativa (FO) Ocorre pelo mecanismo quimiosmótico da FO ➜ os p que foram para o espaço intermembranas retorna para a matriz pela ATP sintase (proteína que está na membrana interna) ➜ ao migrarem de volta os prótons gerarão uma energia para a síntese de ATP por meio do ADP e fosfato (P). ATP sintase/complexo F0 e F1 e como ocorre - ATP sintase ➜ possui 2 porções ➜ porção esférica (fator de acoplamento 1) (F1) e porção transmembrana (F0) ➜ a síntese de ATP ocorre devido ao retorno dos p à matriz mitocondrial ➜ a cada 3 p que retornam 1 ATP é formado ➜ a enzima muda sua conformação com a entrada dos p Os prótons estão no espaço intermembrana ➜ vão atravessar o F0 e passar para o F1 ➜ o F1 vai produzir um movimento de rotação responsável pela síntese do ATP. O F0 é composto por 10 domínios c ➜ apresentam intercomunicação entre eles ➜ a ligação de F0 e F1 ocorre por 2 domínios ➜ o F1 é formado por 6 domínios (3 alfas e 3 betas) ➜ há ainda o domínio delta e 2 domínios b ligando a porção F0 e F1 Os prótons (estão no espaço intermembrana) adentram os domínios da porção F0 e migram de um domínio para outro circulando os 10 domínios C ➜ saem por um último canal para a matriz mitocondrial - A síntese do ATP ocorre na porção F1 nas subunidades beta - Nas 3 subunidades beta possuem: 1 sitio com ATP, 1 sitio ligado a um ADP + P e 1 sítio vazio ➜ quando a porção F1 gira o sítio ligado ao ATP libera o ATP, o sítio do ADP + P produz novo ATP e o sítio vazio recebe novo ADP e P para sintetizar um novo ATP ➜ esse ciclo só ocorre quando passam 3 P pela ATP-sintase 1 NADH com 10 P produz 2,5 ATPs ➜ são necessários 4 P para sintetizar 1 ATP. FAD com 6 P sintetizam 1,5 ATPs Desacopladores e inibidores da cadeia respiratória Quais são os desacopladores ? - DNP (Dinitrofenol) Quais são os inibidores? - Rotenona e amital - Cianeto, monóxido de C e ácido sulfídrico - Malonato - Oligomicina ou venturicidina - Antimicina A Como funcionam ? - Acoplamento ➜ o O2 deve ser consumido na mesma proporção que o ATP é formado Gráfico da esquerda ➜ é fornecido o succinato (elétrons energizados na forma de NADH) e o ADP + P (substrato da ATP sintase) ➜ ocorre a produção de ATP e consumo substancial de oxigênio (acoplamento) ➜ se for colocado o cianeto (CN-) ➜ ele inibe o citocromo c oxidase ➜ inibe portanto a transferência de elétrons ➜ interrompe o consumo de oxigênio e a síntese de ATP ➜ explicação: se os elétrons não são transferidos não são passados os prótons através da membrana ➜ não há prótons suficientes para a força próton-motriz acontecer e girar a ATP sintase para a síntese do ATP. Gráfico da direita ➜ succinato (elétrons energizados na forma de NADH) e o ADP + P (substrato da ATP sintase) ➜ aumenta o consumo de oxigênio e a produção de ATP ➜ se for adicionado venturicidina ou oligomicina haverá a inibição do complexo F0 ➜ essas substâncias inibem a ATP sintase ➜ não produz ATP e nem volta os p para a matriz mitocondrial ➜ há um aumento da concentração de prótons no espaço intermembranas ➜ haverá um gasto de energia muito maior para colocar esses p para dentro da matriz mitocondrial ➜ o sistema de transferência de elétrons entra em colapso ➜ diminui o consumo de oxigênio ➜ ao ser adicionado o DNP (dinitrofenol)(molécula desacopladora química) (molécula hidrofóbica) ➜ passa facilmente pela membrana interna e veicula os p do espaço intermembranas na membrana interna sem precisar da ATP sintase e leva para a matriz mitocondrial ➜ normaliza a transferência de elétrons já que a concentração de p é normalizada ➜ normaliza o consumo de oxigênio ➜ mas como é a ATP sintase que produz ATP continuará sem a síntese de ATP (desacoplamento químico). - Dinitrofenol se liga aos prótons no espaço intermembrana ➜ atravessa a membrana interna ➜ libera o p na matriz mitocondrial OBS: A ausência do oxigênio é a ausência do aceptor final de elétrons ➜ prejudica a transferência de elétrons ➜ haverá um acúmulo de NADH ➜ o acúmulo de NADH inibe as enzimas do ciclo de Krebs Inibidores: - Rotenona e amital ➜ inibem o complexo I - Cianeto, monóxido de C e ácido sulfídrico ➜ inibem o complexo IV - Malonato - Oligomicina ou venturicidina ➜ inibe a ATP sintase - Antimicina A ➜ inibe o complexo III Rendimento da oxidação completa da glicose Oxidação do NADH na cadeia transportadora de elétrons O NADH é impermeável à membrana mitocondrial interna ➜ utiliza de lançadeiras Lançadeira malato-aspartato ➜ especialmente nas células hepáticas, cardíacas e renais ➜ apresenta proteínas que transportam moléculas através da membrana interna mitocondrial O NAD da glicólise doa seus elétrons para o oxalacetato ➜ o oxalacetato se transforma em malato ➜ o malato possui um transportador de membrana e é transportado para a matriz mitocondrial em troca do alfa- cetoglutarato, que sai da matriz mitocondrial para o citosol ➜ o malato ao chegar na matriz mitocondrial transfere seus elétrons para um NAD oxidado e vira oxalacetato de novo, origina um NADH + H (NAD reduzido) ➜ que vai para a cadeia transportadora de elétrons ➜ o oxalacetato na matriz sofre reação com o glutamato (o glutamato doa grupamentos amina para o oxalacetato e o oxalacetato vira aspartato) ➜ já o glutamato vira alfa- cetoglutarato ➜ o alfa-cetoglutarato e o aspartato passam para o citosol ➜ o alfa-cetoglutarato vira glutamato de novo e o aspartato oxalacetato de novo. Lançadeira Glicerol fosfato ➜ encontrada no músculo esquelético, no cérebro dos mamíferos e no músculo de voo de insetos ➜ converte os elétrons trazidos pelo NADH em elétrons recolhidos pelo FADH2 O NADH da glicólise doa seus elétrons para o diidroxiacetona fosfato ➜ vira glicerol-3-fosfato ➜ o glicerol-3-fosfato lança esses elétrons para a mitocôndria por meio de um transportador de elétrons ➜ transfere os elétrons para um FADH2 ➜ o FADH2 vai para a CTE (cadeia transportadora de elétrons) OBS geral: O ADP e o fosfato precisam também atravessar a membrana (são substratos para a síntese de ATP). - O ADP atravessa a membrana mitocondrial por meio do antiporte com o ATP ➜ o ATP produzido pela ATP sintase é lançado para fora das mitocôndrias para as atividades no corpo humano e o ADP é lançado para dentro das mitocôndrias para participar da produção de mais ATP (um em troca do outro). - O fosfato atravessa a membrana por um simporte com o H+ ➜ o H+ e o fosfato são transportados para a matriz mitocondrial na forma de ácido fosfórico ➜ 1 dos H transportados para a matriz mitocondrial pela ATP sintase vem do grupamento fosfato
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