Aula 12 e 13 Ciclo de Krebs e Fosforilação Oxidativa

Prof. Dr. Franciscleudo B Costa
UATA/CCTA/UFCG
Aula 12 e 13
Universidade Federal de Campina Grande
Ciclo do Ácido Cítrico e
Fosforilação Oxidativa
Centro de Ciências e Tecnologia Agroalimentar
Unidade Acadêmica de Tecnologia de Alimentos
 Reações anfibólicas
 Visão Geral do Ciclo do Ácido Cítrico
BIOQUÍMICA GERAL
 Função
 Cadeia de Transporte de Elétrons
Campus Pombal
 Fosforilação oxidadiva
REAÇÕES ANFIBÓLICAS
Ciclo do Ácido Cítrico
O ciclo do ácido cítrico ou de Krebs é uma rota
anfibólica, ou seja, possui reações catabólicas e anabólicas,
com a finalidade de oxidar a acetil-CoA (acetil coenzima A),
que se obtém da degradação de carboidratos, ácidos graxos e
aminoácidos a duas moléculas de CO2.
2º Estágio da respiração, oxidação de ácidos carboxílicos
1.
CO2
NADH
2.
O piruvato derivado da glicose será convertido em uma molécula de
2 C, o acetil-CoA + CO2.
3.
O ciclo de Krebs é uma rota central para a recuperação de energia
a partir de vários combustíveis metabólicos, incluindo carboidratos,
NADH
Piruvato, 3C
O ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs ou ciclo do ácido
tricarboxílico – TCA), oxida biomoléculas metabólicos.
NAD+
MITOCÔNDRIA
Enzima málica
Visão geral do ciclo do ácido cítrico
Acetil CoA, 2C
CO2
NAD+
NADH
desidrogenases
NAD+
NAD+
Oxaloacetato,
4C
NADH
Malato, 4C
Fumarato, 4C
FADH2
desidrogenases
FAD
Ciclo do
Ácido
Carboxílico
CO2
2-Oxaloglutarato
5C
ácidos graxos e aminoácidos, que são convertidos a acetil-CoA para
Sucinato, 4C
a oxidação.
GTP
4.
desidrogenases
Citrato, 6C
Isocitrato , 6C
Fornece reagentes para várias rotas biossintéticas.
desidrogenases
ADP
ADP
NAD+
ATP
NADH
Succinil CoA , 4C
CO2
1
Prof. Dr. Franciscleudo B Costa
UATA/CCTA/UFCG
CATABOLISMO DE MOLÉCULAS ORGÂNICAS
Degradação de
macromoléculas
Monômeros
PROTEÍNAS
AMINOÁCIDOS
CARBOIDRATOS
GLICOSE
LIPÍDIOS
ÀC. GRAXOS
PIRUVATO
Acetil-CoA
Respiração Aeróbia
CICLO
DE
KREBS
CADEIA RESPIRATÓRIA
Respiração aeróbia:
a célula obtém energia da molécula de glicose em uma
seqüência de quatro vias principais: glicólise, oxidação do piruvato, o ciclo de Krebs e a
cadeia de transporte de elétrons. O oxigênio é o receptor final do oxigênio. Na respiração
anaeróbia os elétrons são transferidos para outros compostos orgânicos.
Visão geral do ciclo do ácido cítrico
5. Sob condições aeróbicas, o piruvato entra na mitocôndria juntamente
Produtos
metabólicos finais
NH3
CO2
H2O
Flavina adenina dinucleotídeo (FAD)
FAD
com H+, através de uma proteína de transporte simporte, para ser
adicionalmente oxidado.
Riboflavina (Vitamina B2)
6. O piruvato é convertido a acetil-CoA pela piruvato desidrogenase na
FADH2
presença de NAD+.
7. Os grupos acetil entram no ciclo como parte do composto de alta
energia acetil-CoA (tioésteres possuem alta energia livre de
2 eo + 2H+
hidrólise).
FMN
Considerações Importantes
Considerações Importantes
1. 2 átomos de C deixam o ciclo na forma de CO2. Estes 2 átomos
que deixam o ciclo são diferentes dos que entraram na mesma
volta (ou seja, não vieram do Acetil-CoA).
6. O NADH e o FADH2 produzidos no ciclo são oxidados pela
2. Uma ligação de alta energia é formada - GTP (fosforilação ao
nível do substrato).
3. 5 átomos de H deixam o ciclo por volta, 3 como NADH e 2 como
FADH2.
4. Duas moléculas de H2O são consumidas, uma na síntese do
citrato e a outra na hidratação do fumarato.
5. 4 dos 8 passos do processo são oxidações e a energia nelas
liberada é conservada, com alta eficiência, na formação dos cofatores reduzidos (NADH e FADH2).
CTE na membrana mitocondrial interna. Para cada NADH
oxidado formam-se ≈ 3 ATP e para cada FADH2, formam-se
≈ 2 ATP. Quando os 3 NADH e o FADH2 são oxidados na
CTE, formam-se 11 ATP, mais um GTP formado
diretamente. Ou seja, 12 ligações fosfato de alta energia
são formadas para cada acetil-CoA.
7. O oxigênio não participa diretamente do ciclo do ácido cítrico,
porém o ciclo só funciona em aerobiose, porque o NAD+ e FAD
só podem ser regenerados na mitocôndria pela transferência de
e- ao O. Portanto, o ciclo do ácido cítrico é estritamente
aeróbico.
2
Prof. Dr. Franciscleudo B Costa
UATA/CCTA/UFCG
Glicólise + Ciclo de Krebs
Rendimento energético da
respiração
1° parte
ADP+ Pi
Via metabólica
Substratos
Produtos
ATP
Glicólise
1 Sucrose
4 ADP + 4 Pi
4 NAD+c
4 Piruvato
4 ATP
4 NADHc
4
Ciclo de
Krebs
4 Piruvato
4 ADP + 4 Pi
16 NAD+m
4 FAD
12 CO2
4 ATP
16 NADHm
4 FADH2
ATP
12CO2 + 48H+ + 48e-
C12H24O11 + 12H2O
NADH
Transporte de elétrons e Fosforilação oxidativa
4
2° parte
ATP
12O2 + 48H+ + 48eNADH
- 0,4
NADH
NAD+
Complexo I
- 0,2
produto
Ex.: Fotossíntese
t
ENDOTÉRMICA
6CO2 + 12H2O + LUZ  C6H12O6 +6O2 + H2O
0
Em (volts)
ENERGIA
energia
ENERGIA
24H2O
FADH2
Cadeia Transporte de Elétrons
Energia nas reações químicas
reagentes
2 eo
Succinato
Fumarato
Complexo II
2 eo
Citc 2 eo
+ 0,4
Complexo IV
energia
+ 0,6
produtos
t
2 eo
Ex.: Respiração celular
EXOTÉRMICA
+ 0,8
2 H+ + 1/2 O2
C6H12O6 + CO2  +6CO2 + 6H2O + Energia
Transferência de Elétrons
Alto nível
de energia
H2 O
Complexos Cadeia Transporte Elétrons
NAD+
Espaço entre Membranas
2e FMN
2e Q
2e -
Matriz
Cyt b
I
2e 2H2O
2H+ + ½ O2
Baixo nível
de energia
UQ 2 eo
Complexo III
+ 0,2
reagente
NADH
FADH2
II
Complexo I- NADH desidrogenase
Complexo II- Succinato desidrogenase
III
IV
V
Complexo IV- Citocromo C oxidase
Complexo V- ATP sintase
Complexo III- Citocromo bc1
3
Prof. Dr. Franciscleudo B Costa
UATA/CCTA/UFCG
Cadeia transporte de elétrons mitocondrial
Complexo I
Matriz
Complexo III
Complexo II
Espaço intermembrana
Complexo IV
ADP
+
Pi
ATP
Fosforilação Oxidativa
A fosforilação oxidativa é uma via metabólica que utiliza
energia libertada pela oxidação de nutrientes de forma a produzir
trifosfato de adenosina (ATP). O processo refere-se à fosforilação
do ADP em ATP, utilizando para isso a energia libertada nas
reações de oxidação-redução.
A fosforilação oxidativa é necessária no metabolismo, no
entanto, produz espécies reativas de oxigênio como o superóxido
e o peróxido de hidrogênio, que induzem a propagação de
radicais livres, danificando componentes celulares (oxidando
proteínas e lipídios de membrana) e contribuindo para processos
de envelhecimento celular e patologias.
Mecanismos Alternativos Redução de ATP
Espaço intermembrana
Inibidores da CTE mitocondrial
I
II
Rotenona
Matriz
Oxidase alternativa
ADP
+
Pi
ATP
III
Malonato
Antimicina A
COO
Mixotiazol
CH2
IV
V
Cianeto Oligomicina B
Azida
CO
COO
Termogênese (Aráceas)
Sauromatum guttatum
Funções fisiológicas da OXalt e da PUMP
Espádice superior
Produção de intermediários metabólicos quando a [ATP]
Bráctea
Regeneração de NAD+ quando a CTE estiver “saturada”
Produção de calor
- rompimento da camada de gelo
Flores masculinas
- volatilização de compostos atrativos para polinização
Espádice inferior
Mecanismo antioxidativo (evitar producão radicais livres)
Flores femininas
4
Prof. Dr. Franciscleudo B Costa
UATA/CCTA/UFCG
Rendimento energético da respiração
Respiração Aeróbica / Sacarose
CITOSOL
MATRIZ MITOCÔNDRIAS
MEMBRANA INTERNA
Glicólise
Ciclo de Krebs
Fosforilação Oxidativa
4 ATP
+
4 ATP
4 NADH
+
16 NADH
Via metabólica
Substratos
Produtos
ATP
Glicólise
1 Sucrose
4 ADP + 4 Pi
4 NAD+c
4 Piruvato
4 ATP
4 NADHc
4
Ciclo de
Krebs
4 Piruvato
4 ADP + 4 Pi
16 NAD+m
4 FAD
12 CO2
4 ATP
16 NADHm
4 FADH2
12 O2
4 NADHc
16 NADHm
4 FADH2
24 H2O
4 NAD+c/m
16 NAD+m
4 FAD
8 ATP
=
52 ATP
=
4 FADH2
60 ATP
Fosforilação
oxidativa
3.010kJ mol-1
52% energia livre
+
4
6 - 10
40
6
Calor
Respiração
Glicólise
Ciclo de Krebs
(Citosol)
(Mitocôndria)
Fase de ingresso
ao ciclo de Krebs
Cadeia transportadora de elétrons
NADH
Acetil CoA
ATP
ADP
piruvato
Ca2+
+
-
PDH cinase
ATP
Piruvato
ADP
NAD+
CoA
▬
CO2
PDH inativo P
PDH ativo
NADH
Acetil CoA
ATP
▬
PDH fosfatase
P
+
Insulina
Ca2+
Ciclo do
Glioxalato
Importante:
Um alto valor da relação [ATP] / [ADP] ou da
relação [NADH] / [NAD+] INIBE o ciclo de Krebs
(-) ATP
(-) NADH
(-) Succinil CoA
Oxalo-acetato
Citrato
Malato
Isocitrato
(-) ATP
Fumarato
(-) NADH
-ceto-glutarato (+) ADP
Succinato
(+) Ca2+
Succinil-CoA
(-) ATP
(-) NADH
(-) Succinil CoA
(+) Ca2+
5
Prof. Dr. Franciscleudo B Costa
UATA/CCTA/UFCG
Tecidos diferentes respiram com taxas diferentes
Função
O ciclo de Krebs é responsável por cerca de 2/3 do total da
Apical do caule
oxidação de C na maioria das células. Os produtos dessa via são CO2 e
Folha
Nó
Entrenó
Gema
e- na forma de NADH. O CO2 é descartado do ciclo, enquanto os e - de
alto energia do NADH passam por uma CTE ligada à membrana e
combina-se com o O2, produzindo H2O.
Fitômero
Embora o ciclo de Krebs, em si, não use O2, mas ele é
necessário, pois não há outra forma eficiente do NADH livrar-se dos e-,
e assim, regenerar o NAD+ necessário para manter o ciclo funcionando.
Apical da raíz
Estádios do desenvolvimento de frutos
100
3
crescimento
do fruto
2
50
Início do
florescimento
climatérica
respiração
1
respiração
80
Tempo
Divisão
Dias após a germinação 100
Climatério em banana
60
2
0
Climatérico
Senescência
Alongamento
Maturação
3 ,0
CO2
50
2 ,5
2 ,0
40
C2H4
30
1 ,5
1 ,0
20
0 ,5
10
0 ,0
0
5
10
15
20
25
(mL
/kg/h)
kg-1 h-1
60
(ml/kg/h)
mL kg-1 h-1
0
40
Produção
de etileno
Produção
de C2H4
20
não climatérica
0
Produção
de CO
Produção
de CO2
CO2 liberado (mg g-1 MS h-1)
Respiração de plantas de girassol em desenvolvimento
30
D iArmazenamento,
a s a p ó s a c o ldias
h e it a
6
Prof. Dr. Franciscleudo B Costa
UATA/CCTA/UFCG
Fatores ambientais
Atividade metabólica com controle de O2 e CO2
Ar
O2
anaerobiose
CO2
O2
 Composição da atmosfera, CO2 e O2
O2< 1 - 2%
CO 2
CO2 > 20%
 Temperatura
 Estresses
 Fatores de natureza biótica e abiótica
O2
CO2
3-8% O2/ 3-10% CO2 / N2
Atmosfera
Modificada
Otimizada
7