Metabolismo Energético: Glicólise, Ciclo de Krebs e Fosforilação Oxidativa

O metabolismo é composto por muitas reações acopladas que se interconectam:

• Catabolismo: transformação de compostos energéticos em energia celular.
• Anabolismo: uso de energia para a formação de moléculas complexas.
• Algumas vias podem ser anabólicas ou catabólicas, dependendo das condições energéticas da célula.
• Uma reação só pode ocorrer espontaneamente se ΔG, a variação de energia livre, for negativa.
• A variação global de energia livre para uma série de reações acopladas é igual à soma das variações de energia livre das etapas individuais. Ou seja, uma reação termodinamicamente desfavorável pode ser impulsionada por uma termodinamicamente favorável que a ela esteja acoplada. Por exemplo, A → B+C possui um ΔG de +10kj/mol e B->D de -20kj/mol. Logo, a “reação final” seria A → C+D, com um ΔG -10kj/mol. Neste caso, o intermediário B, comum a ambas as reações, as acopla.

Energia Livre de Gibbs (G)

• Quantidade de energia necessária para realizar W
• Espontaneidade das reações
• ΔG > 0 (+) absorção energia reação endergônica (consome energia)
• ΔG < 0 (-) liberação energia reação exergônica (libera energia)
• (J/mol ou cal/mol)

As células usam energia livre e isso permite dizer o sentido da reação (favorável). A variação de energia livre está diretamente relacionada com a constante de equilíbrio.

• ATP é um nucleotídeo constituído de uma adenina, uma ribose e uma unidade trifosfato. Sua forma ativa geralmente é um complexo ATP com um íon de Mg ou Mn. Ele é uma molécula rica em energia por causa de seu trifosfato conter duas ligações de anidrido fosfórico.
• A hidrólise do ATP é termodinamicamente favorável e isso o torna um bom agente acoplador de energia. Sendo assim, uma sequência de reações termodinamicamente desfavorável pode ser convertida a uma favorável, acoplando-a à hidrólise de um número suficiente de moléculas de ATP, numa nova reação.
• O ATP não é o único composto com alto potencial de transferência de fosforila. Alguns compostos como o fosfoenolpiruvato (PEP), 1,3-bifosfoglicerato (1,3-BPG) e a creatina fosfato tem um potencial de fosforila maior do que o ATP e podem, portanto, transferir sua fosforila para ADP, formando ATP. Esta posição intermediária capacita o ATP a funcionar com eficiência como um carreador de fosforilas.

Não são meramente as propriedades químicas intrínsecas da molécula que dão ao ATP essa capacidade de direcionar as reações metabólicas e outros processos que requerem energia. Ainda mais importante é que, ao longo da evolução, ocorreu uma pressão de seleção muito forte a favor de mecanismos regulatórios que mantenham as concentrações de ATP muito abaixo das concentrações de equilíbrio da reação de hidrólise. Quando o nível de ATP diminui, não apenas a quantidade de combustível diminui, mas o combustível por si só perde seu potencial: o ΔG da sua hidrólise (ou seja, seu potencial de fosforilação, ΔGp) está diminuído.

O fosfoenolpiruvato contém uma ligação éster-fosfato que sofre hidrólise para gerar a forma enólica do piruvato. Como o reagente (PEP) tem apenas uma forma (enol) e o produto (piruvato) contém duas formas possíveis, o produto é estabilizado em relação ao reagente. Este é o fator que mais contribui para a elevada energia livre padrão de hidrólise do fosfoenolpiruvato: ΔG =-61,9 kJ/mol.

O 1,3-bifosfoglicerato tem uma ligação anidrido entre o C-1 do grupo carboxil e um ácido fosfórico. A hidrólise desse acil-fosfato é acompanhada por uma variação de energia livre elevada e negativa (ΔG° =-49,3 kJ/mol). A remoção do produto direto (ácido-3-fosfoglicérico) e a formação do íon estabilizado por ressonância favorecem a reação no sentido direto.

Na fosfocreatina, a ligação P¬N pode ser hidrolisada para gerar creatina livre e Pi. A liberação de Pi e a estabilização por ressonância da creatina favorecem a reação no sentido direto. A variação de energia livre padrão da hidrólise da fosfocreatina também é elevada ΔGo=-43,0 kJ/mol.

Em todas essas reações em que ocorre a liberação de fosfato, as várias formas de ressonância disponíveis para o Pi estabilizam esse produto em relação ao reagente, contribuindo para uma variação de energia livre negativa.

*****Em resumo, para as reações de hidrólise com variações de energia livre padrão elevadas e negativas, os produtos são mais estáveis do que os reagentes por uma, ou mais, das seguintes razões: (1) a tensão de ligação dos reagentes devido à repulsão eletrostática é aliviada pela separação de cargas, como para o ATP; (2) os produtos são estabilizados por ionização, como no ATP, nos acil-fosfatos e nos tioésteres (acetil-CoA); (3) os produtos são estabilizados por isomerização (tautomerização), como para o PEP; e/ou (4) os produtos são estabilizados por ressonância, como para a creatina liberada da fosfocreatina, o íon carboxilato liberado do acil-fosfato e dos tioésteres, e o fosfato (Pi) liberado das ligações anidrido ou éster.

Tópico 2 – Regulação da Glicólise e Ciclo de Krebs: mecanismos e enzimas

Glicólise

Resumo da Paula (18.2)

Ciclo de Krebs

A síntese de acetil-coenzima A (acetil-coA)

• A mitocôndria tem a capacidade de internalizar o piruvato – há um transportador específico na membrana mitocondrial interna –, que será metabolizado na matriz.
• É o complexo piruvato desidrogenase (PDH) que catalisa essa reação em três etapas, tendo um ΔG final bem baixo (= -33,4). Ou seja, a reação é espontânea. --- Simplificadamente, o complexo apresenta três sítios enzimáticos (enzimas E1 + E2+ E3) que promovem a produção de acetil-coA a partir de piruvato e CoA-SH (composto orgânico coenzima A ligado a sulfidrila). O processo ocorre em três etapas e nelas acontecem: descarboxilação (liberação de uma molécula de CO2) e desidrogenação para a doação de prótons e elétrons para a redução da molécula de NAD+ e sua transformação em NADH.

O ciclo de Krebs (CK)

É uma via metabólica para a qual convergem várias outras vias. --- De fato, aminoácidos, ácidos graxos e carboidratos podem ser convertidos à molécula acetil-CoA, que por sua vez, inicia o ciclo de Krebs. --- Como a molécula de glicose é, então, completamente degradada, diz-se que o CK é uma via catabólica.

• O CK é subdividido em 3 etapas:
  • Etapa 1 (reações R1 e R2): de síntese e modificação do citrato (compostos com 4C -> 6C), que inicia o ciclo.
  • Etapa 2 (reações R3 e R4): de dupla descarboxilação (compostos com 6C -> 5C -> 4C), que finaliza a degradação do remanescente da glicose.
  • Etapa 3 (reações R5 a R8): de regeneração do oxaloacetato (compostos com 4C), que permite o reinício do ciclo.

3.1 – 1a reação do CK: [oxaloacetado + acetil-CoA + H2O → citrato + CoA-SH].

• É uma condensação catalisada pela citrato sintase --- É uma reação altamente exergônica (ΔG = -32,2), sendo o principal ponto de regulação do ciclo – a etapa que dita o ritmo da via metabólica.

3.2 – 2a reação do CK: *citrato → H2O + cis-aconitato → isocitrato]

• É uma isomeração do citrato catalisada pela aconitase em 2 etapas: hidratação seguida de desidratação.

3.3 – 3a reação do CK: [isocitrato + NAD+ → α-cetoglutarato + CO2 + NADH + H+]

• É a primeira reação de descarboxilação e desidrogenação conjuntas, catalisada pela isocitrato desidrogenase.
• Também é uma reação bastante exergônica (ΔG = -20,9), sendo um segundo ponto de regulação do ciclo.

3.4 – 4a reação do CK: [α-cetoglutarato + CoA + NAD+ → succinil-CoA + CO2 + NADH + H+]

• É a segunda reação de descarboxilação + desidrogenação, catalisada pelo complexo α-cetoglutarato desidrogenase.
• A principal peculiaridade da reação é a reutilização do intermediário CoA-SH liberado na reação 1 – esse complexo enzimático tem estruturas homólogas à do complexo piruvato desidrogenase.
• É a última reação fortemente exergônica (ΔG = -33,5), sendo o terceiro ponto de regulação do ciclo.

3.5 – 5a reação do CK: [succinil-CoA + GDP + Pi → succinato + GTP + CoA-SH]

• É a única reação de síntese de GTP da via – uma enzima GTP sintase usa a energia da quebra da ligação tio-éster (altamente energética) da succinil-CoA.
• Numa reação à parte, esse GTP perde seu grupamento fosforil terminal para uma molécula de ADP, formando uma molécula de ATP.

3.6 – 6a reação do CK: [succinato + FAD+ → fumarato + FADH2]

• É uma reação de desidrogenação sem descarboxilação, catalisada pela succinato desidrogenase.
• Uma particularidade dessa enzima é que ela é a única enzima não solúvel do ciclo.

3.7 – 7a reação do CK: [fumarato + H2O → malato]

• É uma simples reação de hidratação, catalisada pela enzima fumarase.

3.8 – 8a reação do CK: [malato + NAD+ → oxaloacetato + NADH + H+]

• É a quarta e última desidrogenação do ciclo, catalisada pela malato desidrogenase.
• É a reação mais fortemente endergônica (ΔG = +27,9), portanto desfavorável – ela só ocorre por estar acoplada à reação seguinte, exergônica, aquela que reinicia o ciclo.

- Saldo final do CK (por molécula de acetil-Coa)

• 3 moléculas de NADH + H+ (R3, R4 e R8), 1 molécula de FADH2 (R6), 2 moléculas de CO2 (R3 e R4)

- Ocorrem, ao todo:

1 condensação (R1 – do oxaloacetato em citrato), 1 isomeração (R2 – do citrato em isocitrato), 2 descarboxilações com desidratação (R3 e R4), 1 fosforilação (R5 – síntese do GTP), 2 desidrogenações simples (R6 e R8), 1 hidratação simples (R7).

O ciclo jamais ocorre no sentido inverso porque seu saldo é fortemente exergônico – espontaneidade.

3 fatores são considerados:

• Estímulo por disponibilidade de substratos – específica de cada reação do ciclo
• Inibição por acúmulo de produtos – específica de cada reação do ciclo (ex. alta concentração de citrato intracelular inibe a reação R1 do ciclo)
• Inibição alostérica das enzimas – especial para algumas reações do ciclo (R1, R3 e R4)

Na verdade, são 4 as etapas de regulação alostérica do CK: Além das 3 reações altamente exergônicas (portanto, dificilmente reversíveis), a velocidade da etapa da PDH (piruvato desidrogenase) também dita o ritmo do ciclo de Krebs, pois a acetil-CoA é seu substrato.

O maior estímulo ativador das reações é a alta concentração de ADP, em qualquer ponto de regulação do ciclo. Noutra mão, elevada taxa de ATP / ADP (carga energética) inibe o ciclo.

• Outro regulador do ciclo é o balanço de NAD reduzido / NAD oxidado:
  • Excesso de NAD+ indica carência energética -> ativação do CK.
  • Excesso de NADH + indica abundância de energia disponível -> inibição do CK.

• Por fim, o cálcio também é um potente estimulador do ciclo (pois sua liberação no citosol é indicativo de demanda energética celular), e essa regulação alostérica positiva se dá em 3 dos 4 pontos de controle: (1) Na atividade da piruvato desidrogenase (“pré-etapa” do ciclo) (2) Na atividade da isocitrato desidrogenase (R3) (3) Na atividade da α-cetoglutarato desidrogenase (R4).

Tópico 3 – Acoplamento mitocondrial, desacoplamento, inibidores da cadeia transportadora e metabolismo do O2 em bactérias.

Fosforilação Oxidativa: formação de ATP quando se transferem elétrons de NADH ou FADH2 para O2 por uma série de transportadores de elétrons.

A fosforilação oxidativa acopla a oxidação dos compostos bioenergéticos carbonados para a síntese de ATP com um gradiente de prótons. O NADH e o FDH2 são moléculas ricas em energia porque cada uma delas contém um par de elétrons com alto potencial de transferência. A redução do O2 a H20 na fosforilação oxidativa (FO), pelo uso desses elétrons, libera uma grande quantidade de energia que pode ser utilizada para gerar ATP.

de prótons através da membrana mitocondrial interna.

Durante a glicólise – saldo de 2 ATPs e 2 NADHs. No ciclo do ácido cítrico – saldo de 2 ATPs (1 para cada volta no ciclo), 6 NADHs (3 para cada volta no ciclo) e 2 FADH2 (1 para cada volta no ciclo).

Os componentes da cadeia transportadora de elétrons

A membrana interna mitocondrial é rica em proteínas. A maior parte dessas proteínas é componente da cadeia transportadora de elétrons. As proteínas estão organizadas em quatro

Complexo I – também chamado NADH desidrogenase ou NADH: CoQ oxidorredutase.

Complexo II – também chamado succinato desidrogenase ou succinato: CoQ oxidorredutase.

Complexo III – também chamado citocromo bc1.

A ATP sintase é uma enzima que catalisa a síntese de ATP. No processo de respiração celular, esta enzima é responsável pela etapa chamada FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA. Nesta etapa, a energia do fluxo de elétrons é convertida em ATP. Até o complexo IV, o resultado da cadeia

situações:

a) NADH/NAD+ – baixa – nesta situação o poder redutor é baixo e existe uma baixa concentração de doadores de elétrons para a CTE.

b) ATP/ADP – alta – nesta situação a carga energética da célula é alta, e, portanto, a síntese de ATP não precisa ser estimulada.

c) O2 – baixo – o oxigênio é o aceptor fi nal dos elétrons e, na ausência dele, os transportadores ficam saturados e não são mais capazes de aceitar novos elétrons, paralisando a cadeia transportadora. É por isso que precisamos respirar oxigênio.

DESACOPLAMENTO

Para que a mitocôndria sintetize ATP, é necessário que os elétrons passem através dos