Metabolismo de Carboidratos

INTRODUÇÃO

O metabolismo pode ser definido como uma rede altamente integrada de transformações químicas, catalisadas por enzimas, que ocorrem, em uma célula e/ou organismo vivo.

Em cada via, o substrato da via é transformado em um produto que poderá ser utilizado como substrato para a via subsequente.

Catabolismo: converte as moléculas de nutrientes complexas em substância mais simples liberando energia biologicamente utilizável.

Anabolismo: utiliza as moléculas simples e as transforma em compostos complexos à custa de energia. Ocorrem simultaneamente na mesma célula.

Substratos: carboidratos (CHO), lipídeos (LIP) e proteínas (PTO).

Ou seja, o metabolismo são caminhos cruzados que levam a célula ao propósito de manter-se viva e organizada.


METABOLISMO

Metabolismo celular pode ser definido como o conjunto de transformações químicas, catalisadas por enzimas, que ocorrem na célula e/ou organismo, formando um emaranhado de reações.

Trocam matéria e energia entre a célula e ou seu ambiente. Permite a célula obter energia química das moléculas de CHO, LIP e PTO, ou então, utilizar diretamente a energia luminosa.

Classificação metabólica dos organismos vivos

- Segundo a fonte de nutrientes - carbono:
Autotróficos: organismos que utilizam o CO2 como a única fonte de carbono.
Heterotróficos: não podem utilizar o CO2 como fonte de carbono e então precisam obter o carbono a partir de seu ambiente.

- Segundo a natureza da fonte de energia:
Fototróficos: utilizam a luz como fonte de energia
Quimiotróficos: utilizam a energia obtida através das reações de oxirredução. Neste caso, os elétrons são transferidos dos doadores de elétrons (agente redutor) para os aceptores de elétrons (agente oxidante) neste caso o CO2.
Quimiorganotróficos: são aqueles organismos que requerem moléculas orgânicas complexas, como a glicose, como doadora de elétrons.
Quimiolitrotróficos: utilizam doadores simples de elétrons, tais como hidrogênio, sulfato de hidrogênio, amônia ou enxofre.

- Segundo o aceptor final de elétrons
Aeróbios
Anaeróbios

Catabolismo

É a fase degradativa do metabolismo. As reações do catabolismo são acompanhadas pela liberação de energia química conservada na forma de ATP e em carreadores de elétrons reduzidos como NADH, NADPH, ou dissipada na forma de calor.

Estágio 1: transformação das macro em monoméricas: polissacarídeo em monossacarídeo. proteína em aminoácidos, lipídeo em ácidos graxos e álcool.
Estágio 2: transformação de unidades monoméricas em Acetil-CoA.
Estágio 3: oxidação do Acetil-CoA a CO2, com formação de água e liberação de energia.

Anabolismo

É a fase edificadora ou biossintética do metabolismo. As reações anabólicas reúnem moléculas pequenas, com aminoácidos para formar moléculas complexas, como as proteínas, monossacarídeos para formar polissacarídeos, nucleotídeos para formar os ácidos nucléicos. Neste caso existe requisição de energia para que as reações ocorram, gasta-se ATP.

O catabolismo e o anabolismo ocorrem simultaneamente no nosso organismo.


VIAS METABÓLICAS

De um modo geral, as vias catabólicas e anabólicas estão relacionadas, nas vias catabólicas, os metabólicos complexos são degradados em produtos simples com liberação de energia química: o ATP e o NADH. No caminho anabólico, as unidades monoméricas são utilizadas para a síntese de macromoléculas complexas, com gasto de energia química (ATP e NADH).

Um número relativamente pequeno de metabólicos serve como matéria-prima inicial para uma gama variada de produtos.

Controle do fluxo metabólico

- Genético
Exemplo: níveis elevados de insulina, resultantes de altos níveis de glicose no sangue, levam a um aumento na síntese de enzimas-chave do metabolismo de glicose.
- Controle alostérico
Retroalimentação negativa: o produto de uma via inibe uma das etapas anteriores. Geralmente, o produto final inibe a primeira reação da via.
- Modificação covalente
São processos de modificação enzimática que alteram a atividade das enzimas. Fosforilação (cinases), Desfosforilação (fosfatases).
- Composto de alta energia
Oxidação: o ATP é a energia química utilizada para promover os processos biológicos que consomem energia na célula. A utilização do ATP ocorre através da remoção e transferência de seu grupo fosfato treminal para moléculas aceptoras. O ATP é continuamente hidrolisado e regenerado.
Lembrando que a oxidação ocorre quando há perda de elétrons e prótons e também quando átomos de carbono são convertidos em CO2.


ALIMENTOS X NUTRIENTES

Alimentos são materiais que o organismo recebe para satisfazer as suas necessidades de manutenção, crescimento, trabalho e restauração dos tecidos.
Nutrientes são substâncias químicas que constituem os alimentos. Os nutrientes podem ser:
- Energéticos: LIP e CAR
- Plásticos: CAR, LIP, PTO, minerais
- Reguladores: Vitaminas e Sais minerais


1 - METABOLISMO DE CARBOIDRATOS

Objetivo: servem para fornecer energia, reservar energia e como intermediários metabólicos.

Tipos:
- Polissacarídeos (é o que comemos): amido e celulose de origem vegetal / glicogênio de origem animal
- Dissacarídeos: sacarose, lactose e maltose
- Oligossacarídeos: possuem de 3 a 10 cadeias de monossacarídeos
- Monossacarídeos: glicose, frutose, galactose e manose

Digestão do amido:

O polissacarídeos entra na boca (pH neutro) através da amilase salivar onde ocorrem as primeiras quebras transformando-o em oligossacarídeo, vai para o esôfago, depois estômago (pH ácido), onde ocorre a inativação da amilase salivar, depois intestino delgado onde ocorre a ação da amilase pancreática, fazendo com que o restante do amido que é oligossacarídeo, vire monossacarídeo (maltose) e dissacarídeo (dextrina), sendo então absorvidos. Os dissacarídeos que ficaram no intestino liberarão monossacarídeos através das bordas das células intestinais. Esses monossacarídeos vão para o sangue, depois entra nos tecidos e então poderão ser degradados ou sintetizados (vai depender da necessidade do organismo).

Como ocorre a entrada da glicose nas células?

A glicose entra na célula através da difusão facilitada e pode ou não depender de insulina. O que é uma difusão facilitada? tipo de transporte passivo em que as moléculas precisam de uma proteína transportadora para atravessarem a membrana. GLUT-1 a GLUT-5.

Difusão facilitada INDEPENTENDE de insulina: cérebro e fígado. O GLUT-2 é o transportador de glicose para este caso.

Difusão facilitada DEPENDENTE de insulina: tecidos periféricos (muscular e adiposo). O GLUT-4 é o transportador de glicose para este caso.

A insulina se liga ao seu receptor e manda um sinal para o transportador de glicose ir para a membrana, o transportador chega na membrana e abre o canal para que a glicose entre na célula.


1.1 CATABOLISMO DE GLICOSE

Primeiro e principal açucar utilizado como fonte de energia para a maioria dos organismos.
Portanto, a Glicólise é a rota principal do metabolismo dos carboidratos, pois os sacarídeos provenientes da dieta, são oxidados a piruvato como produto final nesta via.

Glicólise: é uma via central quase universal do catabolismo da glicose. Processo anaeróbico (não necessita de O2) que ocorre no citoplasma.

Funções da Glicólise:
- obtenção de energia a partir da glicose;

- em organismos aeróbicos, primeiro passo (preparatório) para a oxidação completa da glicose;
- fonte de intermediários biossintéticos (catabólica e anabólica).

Ocorre em uma sequência de 10 reações, transformando a molécula de glicose em duas de piruvato, com produção de ATP e redução da coenzima NAD+. Permite a produção de ATP em tecidos sem mitocôndria (ex. eritrócitos) ou em células em O2.

O piruvato formado tem três caminhos:
- Sem O2: fermentação alcóolica (etanol) e fermentação láctica (lactato)
- Com O2: Ciclo de Krebs e Cadeia Respiratória (oxidado completamente em CO2).

A glicose é uma hexose (monossacarídeo) com seis carbonos (C6 H12 02) é hidrolisada em 2 moléculas de piruvato, a cada uma como 3 carbonos, em uma sequencia de 10 reações.

As 5 primeiras reações constituem a fase preparatória da via (primeira fase):
- Primeira reação: a glicose é fosforilada no carbono 6 se transformando em glicose-6-fosfato.
- Segunda reação: a glicose-6-fosfato é convertida em frutose-6-fosfato
- Terceira reação: a frutose-6-fosfato é novamente fosforilada no carbono 1, liberando a frutose-1,6-bifosfato. O ATP é o doador de fosfato nas duas fosforilações.
- Quarta reação: a frutose-1,6-bifosfato é quebrada para liberar duas moléculas com 3 carbonos (a diidroxiacetona fosfato e o gliceraldeído-3-fosfato).
- Quinta reação: a diidroxiacetona fosfato é isomerizada.

Na segunda fase, cada molécula de gliceraldeído-3-fosfato é oxidada e fosforilada por fosfato inorgânico para formar 1,3-bifosfoglicerato. A liberação de energia ocorre quando as duas moléculas de 1,3-bifosfoglicerato são convertidas em duas moléculas de piruvato e formação de quatro moléculas de ATP para cada glicose.

Lembrando que desidrogenação é a retirada de hidrogênio (quem faz são as desidrogenases). Esses hidrogenios retirados são transferidos para o NAD+.

Ou seja, na glicólise ocorre, com consumo de duas moléculas de ATP, degradação de uma molécula de glicose em 2 de piruvato, desidrogenação com consequente formação de duas moléculas de NADH que irão para a Cadeia Respiratória e liberação de energia que possibilita a formação de quatro moléculas de ATP.

Vamos ver detalhadamente cada reação da via glicolítica:

Reação 1: Fosforilação da glicose
Ocorre a transferência de um grupo fosfato da molécula de ATP para a glicose, formando a glicose-6-fosfato (G6P).
É uma reação irreversível catalisada pela hexocinase (catalisam a transformação de grupos fosfato). A hexocinase é inibida pelo seu produto (glicose-6-fosfato).
Quem catalisa essa reação no fígado é a cinase (glicocinase) -> sua afinidade pela glicose é baixa ou seja, vai reagir apenas com altas concentrações de glicose nos hepatócitos.

Reação 2: Conversão da glicose-6-fosfato em frutose-6-fosfato
Essa reação é catalisada pela fosfoglicose-isomerase.
É uma reação reversível

Importante lembrar que toda reação irreversível é reguladora ou limitante da velocidade da reação.

Reação 3: Fosforilação da frutose-6-fosfato em frutose-1,6-bisfosfato
A fosfofrutocinase (PFK-1) é que catalisa essa reação. Transfere um grupo fosfato para a frutose-6-fosfato formando frutose-1,6-bisfosfato.
É uma reação irreversível
A PFK-1 é muito importante pois é inibida por níveis elevados de ATP. Níveis aumentados de citrato (do Ciclo de Krebs) também inibe a PFK-1. E é ativada por altas concentrações de AMP.
Essa etapa é limitante da velocidade da glicólise.

Reação 4: Clivagem da frutose-1,6-bisfosfato
A frutose-1,6-bisfosfato é quebrada para formar duas trioses fosfato diferentes. Forma então a diidroxiacetona fosfato (DHAP) e o gliceraldeído-3-fosfato (GAP).
É uma reação reversível.

Reação 5: Isomerização da diidroxiacetona fosfato

FALTA ESSA PARTE

Reação 6: Oxidação e fosforilação do gliceraldeído-3-fosfato e, 1,3-bifosfoglicerato por NAD+ e Pi (fosfato inorgânico) sem uso de ATP.
Essa reação é catalisada pela gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase (GAPDH). A conversão do GAP em 1,3-BPG pela enzima GAPDH é a primeira reação de oxiredução de glicólise.
É uma reação reversível.

Reação 7: Transferência do fosfato do 1,3-bifosfoglicerato para o ADP
Nessa reação é produzido ATP ao nível do substrato junto com 3-fosfoglicerato em uma reação catalisada pela fosfoglicerato cinase (PGK).
É uma reação reversível.
Nessa reação as duas moléculas de ATP utilizadas na primeira fase são pagas.

Reação 8: Conversão do 3-fosfoglicerato em 2-fosfoglicerato
A fosfoglicerato mutase catalisa a transferência reversível do grupo fosforil do glicerato. Ou seja, troca do grupo fosfato carbono 3 para o carbono 2.
É uma reação reversível.

Reação 9: Desidratação do 2-fosfoglicerato para fosfoenolpiruvato
O 2-fosfoglicerato é desidratado a fosfoenolpiruvato. Essa reação é catalisada pela enolase.
É uma reação reversível que retira 1 molécula de H2O do 2-fosfoglicerato para liberar o fosfoenolpiruvato.

Reação 10: Transferência do grupo fosforil do fosfoenolpiruvato para o ADP

Catalisada pela piruvato cinase.

É uma reação irreversível.

O equilíbrio dessa reação favorece a síntese de ATP.

Resumo:

Na primeira fase ocorrem duas fosforilações por ATP. Na segunda fase, duas por fosfato inorgânico e quatro grupos fosfato são transferidos para o ADP, formando quatro ATP. Portanto, para cada molécula de glicose convertida em duas de piruvato pela glicólise, são produzidos 4 ATP, dos quais devem ser descontados os 2 ATPs consumidos na primeira fase da via.

Saldo Bruto: 2 piruvatos, 4 ATP´s, 2 NADH

Saldo Líquido: 2 piruvatos, 2 ATP´s, 2 NADH

Equação da via glicolítica:

Reagente: o que é consumido

1 glicose + 2 ATP + 2Pi + 2 NAD+ + 4 ADP

Produto: o que é formado

2 piruvatos + 2 ADP + 2 NADH + 2 H+ + 4 ATP + 2 H2O

Resultado:

2 piruvatos + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O

Regulação da Glicólise

Enzimas que catalisam reações irreversíveis regulam a via: hexocinase, fosfofrutocinase, piruvato cinase.

A hexocinase:

Será inibida em altos níveis de glicose-6-fosfato e altos níveis de ATP

Será ativada em altos níveis de ADP e AMP

A glicocinase:

Será inibida em altos níveis de ATP

Será ativada em altos níveis de ADP

A fosfofrutocinase:

será inibida em altos níveis de frutose-6-fosfato, altos níveis de ATP e em altos níveis de citrato (do Ciclo de Krebs)

será ativada em altos níveis de ADP e AMP e também na presença de frutose 2,6-disfosfato (principal ativador da PFK-1)

Níveis aumentados de insulina produzem um aumento de frutose-2,6-disfosfato e na velocidade de glicólise.

Piruvato cinase:

será inibida em altos níveis de ATP, altos níveis de Acetil-CoA e altos níveis de ácidos graxos de cadeia longa; também a AMPc fosforila a piruvato cinase inibindo-a.

será ativada por frutose 1,6 disfosfato.

Quando os níveis de glicose no sangue estão baixos, o glucagon elevado aumenta os níveis intracelulares de AMPc, que inativa a piruvato cinase.

1.2 FERMENTAÇÕES
Destino Anaeróbico do Piruvato

Com O2: oxidação completa via Ciclo do Ácido Cítrico a CO2 e H2O
A substância que substitui o O2 pode ser um composto orgânico ou inorgânico.



1.2.1 FERMENTAÇÃO LÁCTICA

Quando a capacidade oxidativa das células é limitada, o piruvato e o NADH produzidos a partir da glicólise não podem ser oxidados de forma aeróbia. O NADH é reoxidado no citosol em que o aceptor final de hidrogênios é o próprio piruvato que, ao receber os hidrogênios do NADH, transforma-se em lactato.

Objetivo da fermentação láctica: manter a integridade celular produzindo ATP enquanto não tem O2.

Como ocorre?

A lactato desidrogenase faz a reação de piruvato à lactato. O piruvato é reduzido a lactato porque ele ganha elétrons. Ao receber os hidrogênios do NADH, transforma-se em lactato. É uma reação reversível e por isso sempre vai retornar para piruvato (quando voltar a ter O2) para formar ATP.

Percebemos na figura que a lactato desidrogenase catalisa a oxidação de NADH e a redução do piruvato produzindo NAD+ e lactato.
Resultado da glicose anaeróbica:
2 moléculas de ATP
2 moléculas de NADH
2 piruvatos

As concentrações séricas de lactato fornecem detecção rápida e precoce do débito de O2 nos pacientes.

OBS: débito de O2 refere-se ao excesso de O2 necessário para se recuperar de um período em que a disponibilidade de O2 foi inadequada.
IMPORTANTE: por ser uma reação reversível o lactato liberado pelas células é captado por outros tecidos (principalmente o fígado) e oxidado de volta a piruvato. No fígado, o piruvato é utilizado para sintetizar glicose (gliconeogênese) a qual é devolvida para o sangue.

Tecido sem O2 --> fermentação láctica --> se em excesso no músculo --> pressiona o local --> circulação sanguínea --> volta O2 para o tecido --> piruvato --> forma Ciclo de Krebs e Cadeia Respiratória.


1.2.2 FERMENTAÇÃO ALCÓOLICA

- Cada molécula de ácido pirúvico sofre descarboxilação (retirada de gás carbônico), numa reação catalisada pela piruvato descarboxilase; originando o acetaldeído.
- O gás carbônico é eliminado para o meio extracelular.
- O aceltadeído atua como aceptor final dos íons de hidrogênio da coenzima NADH, se convertendo em etanol numa reação catalisada pela enzima álcool desidrogenase que também será eliminada para o meio extracelular.
Produtos finais da fermentação alcóolica: etanol e gás carbônico

1.3 CICLO DE KREBS E CADEIA RESPIRATÓRIA

A oxidação completa da glicose ocorre em duas etapas, e começa com a oxidação do piruvato a dióxido de carbono e H2O

- O piruvato é transferido para a matriz mitocondrial, sofre descarboxilação oxidativa, formando Acetil-CoA.
- O Acetil-CoA é oxidado a dióxido de carbono com redução das coenzimas NAD+ e FAD.
Isso ocorre no Ciclo de Krebs

A segunda etapa é a transferências dos elétrons das conezimas NADH e FADH2 para o O2, liberando energia. A oxidação das coenzimas reduzidas ocorrem na mitocôndria e fazem parte dos componentes da cadeia de transporte de elétrons.

A maioria desses componentes agrupa-se em quatro complexos designados I, II, III, IV que atravessam a membrana interna. Os dois elétrons do NADH são transferidos para o complexo I, do complexo I para CoQ (Coenzima Q), depois para o complexo III, citocromo c, complexo IV e finalmente para o oxigênio. Os elétrons presentes no succionato desidrogenase-FADH2 são transferidos ao complexo II e deste para a CoQ. Desse ponto em diante, seguem o caminho complexo III, citocromo c, complexo IV e, finalmente, para o oxigênio. Essas transferências são possíveis porque todos os compostos presentes nos complexos, mais a CoQ e o citocromo c, podem apresentar-se nos estados reduzido e oxidado.


1.3.1 CICLO DE KREBS

O ciclo do ácido cítrico é uma rota metabólica que utiliza o Acetil derivado dos carboidratos, dos ácidos graxos e dos aminoácidos como substrato.

Função: oxidar o Acetil-CoA a CO2 e H2O, formando duas moléculas de CO2 de maneira que a energia livre liberada é conservada nos compostos reduzidos NADH e FADH2

A primeira etapa que é a descarboxilação do piruvato a Acetil-CoA não faz parte do CK (Ciclo de Krebs). É uma reação necessária para que ocorra o CK através da passagem de piruvato ao Acetil-CoA.

Vamos ver detalhadamente cada reação do CK:
Síntese do Acetil-CoA
Descarboxilação oxidativa do piruvato

Em condições aeróbias, o primeiro passo para a oxidação do piruvato é a sua descarboxilação oxidativa produzindo Acetil-CoA.

Na matriz mitocondrial, o piruvato sofre descarboxilação oxidativa pelo complexo piruvato desidrogenase, formando Acetil-CoA, conectando, portanto, a glicólise e o ciclo do ácido. Ou seja, o grupo carboxila é removido do piruvato na forma de uma molécula de CO2 e os dois carbonos remanescentes tornam-se o grupo Acetil-CoA que são transferidos para a coenzima A (CoA)

É uma reação irreversível: impede a formação de piruvato a partir do Acetil-CoA = explica porque a glicose não pode ser formada a partir do Acetil-CoA. Porque é uma reação irreversível.

Essa primeira etapa não ocorre dentro do CK

Regulação do Complexo Piruvato Desidrogenase


- O aumento de Acetil-CoA, aumento de NADH e de ATP: ativam as quinases, as quais fosforilam o complexo inibindo-o.
- A diminuição do Acetil-CoA, diminuição de NADH e de ATP: ativam as fosfatases, as quais desfosforilam o complexo ativando-o.
- A insulina também ativa as fosfatases, as quais desfosforiam o complexo ativando-o.

Como a insulina ativa o complexo?
A insulina sinaliza abundância de energia. Ela reverte essas inativações ativando a piruvato desidrogenase fosfatase, que remove o grupo fosfato da piruvato desidrogenase. A insulina, também, ativa a síntese do glicogênio pela ativação da fosfoproteína fosfatase. Dessa forma, em resposta ao aumento da concentração de glicose no sangue, a insulina promove a síntese do Acetil-CoA, bem como a de glicogênio.

Lembrando que o Acetil-CoA é derivado do metabolismo de CHO, ácidos graxos e aminoácidos.
Reação 1: Síntese do Citrato a partir do Acetil-CoA a Oxaloacetato.
A reação  é regulada pela enzima citrato sintase. A entrada de Acetil-CoA é importante para reciclar a CoA (Coenzima A). O Acetil-CoA (que contém 2 carbonos) condensa com o oxaloacetato (que contém 4 carbonos) formando o citrato (ficando então com 6 carbonos). Ou seja, ocorre a condensação de uma unidade de dois carbonos, a acetila do Acetil-CoA, com uma de quatro carbonos, o oxaloacetato.
É uma reação irreversível, ou seja, reguladora/moduladora da velocidade da via metabólica.
O oxaloacetato reage com o Acetil-CoA e H2O, originando citrato e CoA numa reação catalisada pela citrato sintase.
A citrato sintase é inibida por seu produto, o citrato, e também por NADH e succinil-CoA. Sua velocidade é determinada pela disponibilidade de Acetil-CoA e do oxaloacetato e pela concentração do succinil-CoA, que compete com o Acetil-CoA e inibe a citrato-sintase. O produto citrato é isomerizado e isocitrato.

Reação 2: Formação do isocitrato via cis-aconitato
A isomerização do citrato é realizado por uma etapa de desidratação seguida de uma hidratação. O resultado é a troca de posições de um átomo de hidrogênio com uma hidroxila.

Reação 3: oxidação e descarboxilação do isocitrato a alfa-cetoglutarato
Ocorre a descarboxilação oxidativa do isocitrato para formar alfa-cetoglutarato na reação catalisada pela isocitrato-desidrogenase. Nessa reação, ocorre a liberação do primeiro CO2 e o primeiro NADH do ciclo do ácido cítrico.
Também é uma reação irreversível e por isso limitante da velocidade da via.

Regulação da isocitrato desidrogenase: altos níveis de ATP e de NADH inibem-a; já altos níveis de ADP ativam-a.

Reação 4: Descarboxilação oxidativa da alfa-cetoglutarato a succinil-CoA
A formação do alfa-cetoglutarato, a partir do isocitrato, dá-se por reação de descarboxilação oxidativa.
A reação na formação do succinil-CoA é catalisada pelo complexo alfa-cetoglutarato-desidrogenase. E nela ocorre a formação do segundo CO2 e produz o segundo NADH do ciclo.

Regulação do complexo alfa-cetoglutarato desidrogenase: altos níves de ATP, GTP, NADH e succinil-CoA inibem-a.

Reação 5: Conversão do succinil-CoA em succinato
A enzima succinil-CoA sintetase catalisa a formação do succinato a partir da succinil-CoA. O GTP e o ATP são energeticamente interconversíveis pela reação da nucleosídeo difosfato cinase:
GTP + ADP <--> GDP + ATP
Fosforilação da difosfato de guanosina (GDP), produz trifosfato de guanosina (GTP).
Ocorre então nessa reação a fosforilação em nível do substrato.

Reação 6: Oxidação do Succinato
O succinato é oxidado a fumarato pela succinato-desidrogenase, produzindo a coenzimar reduzida FADH2 (flavina adenina dinucleotídeo).
O FAD é o aceptor final de elétrons.
O poder redutor do succinato não é o suficiente para reduzir NAD.
A succinato desidrogenase é a única enzima do ciclo do ácido cítrico que está inserida na membrana interna da mitocôndria, por isso funciona como o complexo II da cadeia de transporte de elétrons.

Reação 7: Hidratação do Fumarato
Hidratação do fumarato para formar o malato. Essa reação é catalisada pela fumarase (fumarato-desidrogenase) numa reação livremente reversível.

Reação 8: Oxidação do Malato
Ocorre a transformação do malato em oxaloacetato, numa reação catalisada pela malato-desidrogenase. Essa enzima produz o terceiro e último NADH do ciclo.

Acetil-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O = 2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP + 3H+ + CoA

A cadeia de transporte de elétrons vai utilizar os 3 NADH multiplicar por 3 gerando 9 ATPs, vai utilizar o FADH2 multiplicar por 2 gerando 2 ATPs, ou seja,

3 NADH x 3 = 9 ATP
1 FADH x 2 = 2 ATP
TOTAL DE 11 ATP

Regulação do Ciclo do Ácido Cítrico

- Citrato cintase: é inibida na presença de altas concentrações de NADH, succinil-CoA e citrato
- Isocitrato desidrogenase é inibida na presença de altas concentrações de NADH, ATP e é ativada por ADP e Ca2+
- alfa-cetoglutarato desidrogenase é regulada alostericamente por ATP, GTP, NADH e succinil-CoA e ativada por níveis aumentados de Ca2+

Os equivalentes necessários para a fosforilação oxidativa são produzidas pelo complexo da piruvato-desidrogenase e pelo ciclo do ácido cítrico, e ambos os processos são, estimulados em resposta a um aumento na concentração de ADP.

Cada NADH libera 3 ATP
Cada FADH2 libera 2 ATP


1.3.2 CADEIA RESPIRATÓRIA

Esta parte do processo é responsável pela oxidação.


Os processos de oxidação da glicose, de aminoácidos e de ácidos graxos levam a produção de acetil-CoA que, no ciclo de krebs, é totalmente oxidado a CO2. O ciclo de krebs constitui, portanto, o estágio final e máximo de oxidação dos átomos de carbono que compõem os carboidratos, proteínas e lipídios. A oxidação destes compostos é acompanhada da redução de grande quantidade das coenzimas NAD+ e FAD.

Do ponto de vista energético, verifica-se, que dá energia total disponível na molécula de glicose, uma fração muito pequena levou à produção de ATP, a maior parte foi conservada nas coenzimas reduzidas. Este fenômeno repete-se na oxidação de aminoácidos e lipídios: há uma pequena síntese direta de ATP ao longo das reações de sua degradação, mas a maior parte da energia disponível é armazenada em coenzimas reduzidas. Estas coenzimas devem ser reoxidadas por duas razões. A primeira é para que, voltando a forma oxidada, possam participar outra vez das vias de degradação dos nutrientes. Em segundo lugar, é a partir da oxidação destas coenzimas que a energia nelas conservada pode ser empregada pelas células para sintetizar ATP.

As células aeróbias produzem a maior parte do seu ATP por oxidação das coenzimas pelo oxigênio (a chamada "respiração celular), efetuada por uma cadeia de transporte de elétrons ("cadeia respiratória"), a qual está intimamente associada a síntese de ATP. Esta síntese consiste na fosforilação do ADP e, por utilizar a energia derivada da oxidação das coenzimas, é denominada fosforilação oxidativa.

A oxidação de coenzimas libera grande quantidade de energia.

Nos organismos aeróbios, a oxidação das coenzimas é feita por transferência de seus elétrons para o oxigênio; recebendo elétrons, o oxigênio liga-se a prótons do meio, formando água. Este processo libera grnde quantidade de energia, em virtude da diferença de potenciais de redução.

A estratégia consiste em transformar a energia contida nas coenzimas reduzidas em um gradiente de protons e utilizar este gradiente para promover a síntese de ATP. A energia para gerar o gradiente de prótons é conseguida pela transferência dos elétrons das coenzimas para o oxigênio, não diretamente, mas via passagens intermediárias por vários compostos, que constituem uma cadeia de transporte de eletrons.

O transporte de elétrons é facilitado pelo fato de tais compostos estarem organizados em membranas, com posições definidas, de modo a situra cada componente exatamente entre aquele que lhe fornecerá elétrons e aquele ao qual seus elétrons serão doados. Ao mesmo tempo em que as passagens de elétrons se processam, forma-se uma concentração de prótons diferente de cada lado da membrana onde ocorre o transporte de elétrons. É o aproveitamento da energia potencial contida no gradiente de prótons que torna possível a síntese de ATP.


Cadeia de Transporte de Elétrons Mitocondrial

Os transportadores de elétrons estão agrupados em 4 complexos

A oxidação das coenzimas reduzidas processa-se na membrana interna da mitocôndria, da qual fazem parte os componentes da cadeia de transporte de elétrons. A maioria destes componentes agrupa-se em quatro complexos que atravessam a membrana interna. Estes componentes organizam-se em ordem crescente de potenciais de redução. Aparecem ainda dois componentes móveis de transporte de elétrons: a coenzima Q (CoQ), que conecta aos complexos I e II ao Complexo III, e o citocromo c, que conecta o Complexo III ao Complexo IV.

Dois elétrons do NADH são transferidos para o Complexo I, do Complexo I para CoQ, depois para o Complexo III, citocromo c, Complexo IV e finalmente para o oxigênio. Elétrons presentes no succinato e em outros substratos (FAD??) tem uma entrada especial: são transferidos ao Complexo II e deste para CoQ; deste ponto em diante, seguem o caminho comum.

Estas transferências são possíveis porque todos os compostos presentes nos complexos, mais a CoQ e o citocromo c, podem apresentar-se nos estados reduzido e oxidado - ao receberem um elétron do componente anterior da cadeia, reduzem-se; transferindo o elétron para o componenete seguinte, oxidam-se e estão aptos a receber elétrons novamente.

A respiração ocorre nos Cristais Mitocondriais

- Cada NADH oxidado gera 3 ATP
- Cada molécula de glicose gera H2O, ATP e CO2 (glicose + O2 ---> CO2 + H2O + E)
- Processo que o oxigenio molecular (O2) é aceptor final de elétron
- Tem energia, gera ATP.

Cada vez que um hidrogênio vem do NADH, ele gera o ATP e 1 molécula de H2O, 1 molécula de oxigênio.

Fosforilação Oxidativa

A maior parte da energia do metabolismo é obtida através deste processo.

NADH e FADH2 são utilizados para produzir ATP a partir de sua oxidação.

A oxidação depende do fluxo contínuo de elétrons através de estruturas complexas presentes na mitocôndria.

As transferências de elétrons de um componente para o seguinte constituem reações de óxido-redução termodinamicamente favoráveis. A síntese do ATP ou fosforilação oxidativa (de "fosforilação de ADP à custa de oxidação de coenzimas"), utiliza a energia liberada por essas reações de óxido-redução.

Na oxidação completa da glicose, são 34 ATPs de fosforilação oxidativa formados do NADH e do FAD.

A energia derivada do transporte de elétrons é convertida em uma força próton-motriz

A consequência do bombeamento é a produção de um gradiente de prótons, isto é, uma concentração diferente de prótons dentro e fora da mitocôndria.

O retorno dos prótons ao interior da mitocôndria é um processo espontâneo, a favor do gradiente eletroquímico, que llibera energia capaz de levar à síntese de ATP. A ATP sintase catalisa a formação de ATP quando os prótons atravessam a enzima, em direção ao interior da mitocôndria.

O gradiente de prótons (concentração maior de H+ fora da mitocôndria) e o gradiente elétrico (face interna da membrnaa interna mais negativa) constituem a força próton-motriz que é utilizada para sintetizar ATP pela ATP sintase.

Inibidores e Desacopladores

A transferência de elétrons pode ser bloqueada por inibidores específicos

Há drogas que são capazes de atuar especificamente sobre cada um dos componentes da cadeia de transporte de elétrons, impedindo o prosseguimento da transferência de elétrons. O resultado desta ação inibitória é a paralisação do transporte de elétrons e das vias metabólicas que dependem da cadeia para a reoxidação de coenzimas. Sem o transporte de elétrons não se forma o gradiente de prótons e, consequentemente, não há síntese de ATP.
Ex: inseticida (Complexo I).

O transporte de elétrons pode ocorrer sem a síntese de ATP

Desacopladores são capazes de dissociar o transporte de elétrons da fosforilação oxidativa. Quando os dois processos são totalmente desacoplados, a síntese de ATP pára; o transporte de elétrons, pode prosseguir.


Fosforilação no Nível do Substrato

Fosforilação do ATP na quebra da molécula do substrato. (Essa energia é armazenada na ligação fosfato).

A fosforilação no nível do substrato não é afetada por desacopladores

Chama-se fosforilação no nível do substrato a síntese de ATP obtida diretamente em reações que fazem parte de glicólise e do ciclo de krebs e que utilizam como substratos compostos ricos em energia. Estas reações são sempre precedidas por reações de óxido-redução. Na reação de óxido-redução, a energia é acumulada em uma ligação com fosfato ou CoA. Na reação seguinte, a ligação rica em energia é rompida e a energia é utilizada para a síntese de ATP.

A produção de ATP pela FONS responde por uma pequena fração do total produzido em condições aeróbias e, por ser independente do transporte de elétrons, não é afetada por desacopladores


Glicólise:
2 piruvatos
2 NADH x 3 = 6 ATP
2 ATP
TOTAL DE 8 ATP

DC piruvato = 2 NADH x 3 = 6 ATP

Ciclo de Krebs:
6 NADH x 3 = 18 ATP
2 FADH2 x 2 = 4 ATP
2 GTP = 2 ATP
TOTAL DE 24 ATP

TOTAL DE ATP GERADO NA OXIDAÇÃO TOTAL DA GLICÓLISE: 8 + 6 + 24 = 38 ATP