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Metabolismo de Carboidratos: Ciclo de Krebs
O metabolismo é dividido em catabolismo e anabolismo. O catabolismo
são as reações de degradação de macromoléculas a seus precursores e o
anabolismo são as reações de síntese dessas macromoléculas a partir dos
seus precursores. Geralmente, no catabolismo há produção de ATP e das
coenzimas reduzidas (NADH + H+ e FADH2), ou seja, produção de energia
química. Essa energia química produzida pode tanto ser utilizada para a
manutenção do metabolismo quanto para a produção de novas macromoléculas.
Geralmente, as vias de degradação tanto de aminoácidos quanto de
ácidos graxos e glicose geram uma molécula comum: a acetil-coenzima A
(acetil-CoA). A acetil-CoA pode ser utilizada em vias de síntese de novas
macromoléculas ou pode ser degradada no Ciclo de Krebs, dependendo das
necessidades metabólicas do organismo. Durante o Ciclo de Krebs serão
geradas coenzimas reduzidas, que doarão seus elétrons para a cadeia de
transporte de elétrons (oxidação fosforilativa), que sintetizará o ATP.
Assim, a degradação das macromoléculas que formarão acetil-CoA formará
energia.
Complexo enzimático piruvato-desidrogenase:
O piruvato é formado através das reações de quebra da glicose no
citossol:
GLICOSE (6C) 2 PIRUVATO (3C)
O piruvato pode ser transformado em acetil-CoA. Essa transformação é
mediada por um complexo enzimático chamado de piruvato-desidrogenase,
presente na mitocôndria. Como a glicólise, que formará piruvato, acontece
no citossol, o piruvato deverá ser transportado para dentro da mitocôndria
para a formação de acetil-CoA. Esse transporte é feito através do
transportador "piruvato-transportase". A piruvato-transportase faz um co-
transporte de piruvato e de prótons H+. Assim, o piruvato só entra na
mitocôndria se houver prótons H+.
Dentro da mitocôndria, o piruvato pode enfim ser transformado em
acetil-CoA. Essa conversão acontece através de uma descarboxilação (saída
de CO2) e a formação de uma coenzima reduzida NADH + H+:
PIRUVATO (3C) + CoA ACETIL-CoA (2C) + CO2
A saída de CO2 acontece porque o piruvato possui três carbonos e o
acetil-CoA só possui dois carbonos. O complexo enzimático piruvato-
desidrogenase é composto por três enzimas que são responsáveis pela
conversão do piruvato em acetil-CoA, sendo elas E1, E2 e E3. A enzima E1 é
a piruvato-desidrogenase propriamente dita, que dá nome ao complexo. A E2 é
a diidro-lipoamida-acetiltransferase. A E3 é a diidro-lipoamida-
desidrogenase. A reação catalisada pelo complexo enzimático piruvato-
desidrogenase necessita, também, de cinco coenzimas: tiamina-pirofosfato,
ácido lipóico, coenzima A, FAD e NAD+. A reação acontece em cinco etapas:
1- A primeira etapa da reação é catalisada pela E1 (piruvato
desidrogenase), que utiliza o piruvato como substrato e a tiamina-
pirofosfato (TPP) como coenzima. A E1 descarboxila o piruvato,
gerando o intermediário "hidroxi-etil-tiamida-pirofosfato" (HETPP),
baseado na interação da tiamina-pirofosfato e o piruvato
descarboxilado.
2- A segunda etapa da reação é catalisada pela E2 (diidro-lipoamida-
acetiltransferase), que vai retirar o grupo acetil que se ligou ao
TPP e transferi-lo. Como o nome já diz, a E2 possui ligada
covalentemente à sua estrutura uma lipoamida. Quando a enzima
percebe a presença do intermediário da primeira etapa da reação
(HETPP), ocorre uma redução na lipoamida, gerando uma diidro-
lipoamida, agora capaz de receber o acetil ligado ao TPP, formando
um intermediário acetil-diidro-lipoamida.
3- Ligada, enfim, ao grupo acetil, a E2 pode transferi-lo para a
coenzima A e gerar o produto da terceira etapa da reação: acetil-
CoA. O subproduto da reação é a diidro-lipoamida ligada à E2.
4- A quarta etapa da reação é catalisada pela E3 (diidro-lipoamida-
desidrogenase). A E3 é uma flavoproteína, ou seja, está ligada à
coenzima FAD. O FAD está envolvido em reações de oxirredução e está
ligado covalentemente à E3. A E3 reduz o FAD ligado a ela, oxidando
a diidro-lipoamida, formando novamente a E2 original, com seu
complexo lipoamida com capacidade oxidativa.
5- Os elétrons recebidos pelo FAD são transferidos para o NAD+,
gerando novamente a E3 original, com seu FAD capaz de oxidar a E2.
Primeiramente, vale ressaltar a diferença entre o FAD e o NAD: ambos
são coenzimas capazes de receber e transferir elétrons, porém o FAD liga-se
covalentemente à enzima (formando flavoproteínas) e o NAD não se liga às
enzimas. Dessa forma, o NADH + H+ (estado reduzido do NAD) pode ser
descrito como subproduto da reação, enquanto o FADH2 (estado reduzido do
FAD) não o é, pois este faz parte da enzima.
Enfim, analisando novamente as reações do complexo enzimático piruvato-
desidrogenase, pode-se perceber que a E1 e a E2 foram as responsáveis pela
formação do acetil-CoA e a E3 foi a responsável pela recuperação do estado
natural da lipoamida da E2, para que a E2 seja capaz de realizar novamente
sua função.
Ciclo de Krebs (Ciclo do Ácido Cítrico)
O ciclo de Krebs é composto por oito reações enzimáticas, que vão
oxidar o acetil-CoA. Ele recebe esse nome, pois, diferentemente de outras
vias metabólicas em que o substrato é somente precursor do produto, de
forma linear, no Ciclo de Krebs, por exemplo, o produto da última reação
enzimática é utilizado, novamente, na primeira reação, formando um ciclo.
As oito reações do Ciclo de Krebs são catalisadas por oito enzimas. Durante
cada volta do Ciclo de Krebs (entrada de um novo acetil-CoA) são produzidas
3 coenzimas reduzidas (NADH + H+), 1 FADH2 e 1 molécula de GTP, que pode
ser convertida em ATP. As reações são as seguintes:
1- Condensação do oxalacetato (4C) com o acetil-CoA (2C). Essa reação
é catalisada pela citrato-sintase, formando o citrato (6C). Durante
a reação, dois aminoácidos do sítio ativo da citrato-sintase se
destacam: o aspartato e a histidina. Eles interagem com os
substratos, primeiramente com o acetil-CoA e, depois, com o
oxalacetato, catalisando a formação do citrato. Durante a reação é
formado um intermediário, o citril-CoA, que perde sua coenzima A e
é liberado como citrato.
2- Catalisada por uma enzima que liga Fe2+, a aconitase. A aconitase
vai converter o citrato em isocitrato, primeiramente eliminando uma
molécula de H2O e formando o intermediário cis-aconitato e,
posteriormente, incorporando uma molécula de H2O, formando
finalmente o isocitrato. A diferença do citrato e do isocitrato é a
posição do grupamento hidroxila (-OH): essa hidroxila é ligada, no
citrato, no carbono 3 e, no isocitrato, no carbono 2. A conversão
do citrato a isocitrato é feita porque a enzima que vai catalisar a
próxima etapa do ciclo (isocitrato-desidrogenase) não é capaz de
reconhecer o citrato, somente o isocitrato.
3- Catalisada pela isocitrato-desidrogenase. Essa enzima vai oxidar o
isocitrato, formando um intermediário oxalsuccinato e, após
descarboxilação (saída de CO2) desse intermediário, o produto final
α-ceto-glutarato. Para oxidar o isocitrato, a
isocitratodesidrogenase vai reduzir um NAD+ a NADH + H+.
4- Catalisada por um complexo enzimático chamado de α-ceto-glutarato-
desidrogenase. Esse complexo enzimático também possui três enzimas:
a) E1 – α-ceto-glutarato-desidrogenase.
b) E2 – succinil-transferase
c) E3 – diidro-lipoamida-desidrogenase
Durante essa reação, forma-se outra molécula de NADH + H+ e é
liberada uma molécula de CO2. O produto formado é o succinil-CoA.
5- Catalisada pela succinil-CoA-sintetase. Essa enzima vai utilizar o
succinil-CoA para formação do succinato. Durante a reação, a
succinil-CoA-sintetase vai formar uma molécula de GTP. A enzima age
através da oxidação temporária de uma histidina do seu sítio ativo.
A fosforilação acontece porque, para que a coenzima A saia do
succinato, este precisará ganhar um fosfato, formando um
intermediário chamado succinil-fosfato. O succinil-fosfato será,
então, atacado pela histidina da succinil-CoA-sintetase que vai se
fosforilar, formando enfim o succinato. O fosfato ganho pela
histidina da succinil-CoA-sintetase será passado para um GDP,
formando assim um GTP, que pode ser facilmente transformado em ATP.
Essa reação é chamada de "fosforilação em nível de substrato".
6- Catalisada pela succinato-desidrogenase. Essa enzima fica na
membrana interna da mitocôndria, enquanto todas as demais enzimas
do Ciclo de Krebs encontram-se na matriz mitocondrial. A succinato-
desidrogenase é uma flavoproteína, ou seja, quando ela for oxidar
alguém, o FAD ligado a ela será reduzido a FADH2. A reação
catalisada pela succinato-desidrogenase é a oxidação do succinato a
fumarato. Através de seu FADH2 reduzido, a succinato-desidrogenase
é uma enzima que doa elétrons para a cadeia respiratória
(fosforilação oxidativa). Essa doação de elétrons é mediada por um
transportador de elétrons de natureza lipídica, a ubiquinona. O
malonato, por ser muito parecido com o succinato (análogo
estrutural), atua como inibidor competitivo da succinato-
desidrogenase.
7- A sétima enzima do Ciclo de Krebs é a fumarase. Ela vai converter o
fumarato em malato. Essa reação acontece quando a fumarase adiciona
uma molécula de H2O ao fumarato, rompendo uma dupla ligação C=C
deste fumarato, formando o malato.
8- A última reação é a oxidação do malato a oxalacetato. Durante a
oxidação do malato a oxalacetato, será gerada a terceira molécula
de NADH + H+. Esse oxalacetato gerado será utilizado pela primeira
reação, em que ele será condensado pela citrato-sintase ao acetil-
CoA, para formar o citrato, gerando todo o ciclo novamente.
O Ciclo de Krebs é uma via anfibólica porque seus intermediários podem
servir tanto ao catabolismo quanto ao anabolismo. Dessa forma, a degradação
de glicose, ácidos graxos e alguns aminoácidos podem gerar acetil-CoA, que
será usado no Ciclo de Krebs. Porém, os intermediários desse ciclo podem,
também, formar as moléculas precursoras do acetil-CoA. Por exemplo: o
oxalacetato pode entrar na síntese de glicose, o citrato pode ajudar na
síntese de ácidos graxos e o α-ceto-glutarato pode ser convertido em
glutamato, servindo de precursor para outros aminoácidos.
A velocidade do Ciclo de Krebs pode ser regulada através da
concentração de intermediários. Como o Ciclo de Krebs é produtor de NADH +
H+ e FADH2, existem reações chamadas de "reações anapleróticas" que
acontecem para que o Ciclo de Krebs não pare completamente. Por exemplo: em
certas condições, pode-se desviar muito oxalacetato do Ciclo de Krebs para
a gliconeogênese através de uma outra enzima, a piruvato-carboxilase, que
vai carboxilar o piruvato gerando oxalacetato. Assim, ter-se-á mais
oxalacetato que poderá ser usado tanto no Ciclo de Krebs quanto na
gliconeogênese. Em algumas bactérias e plantas esse oxalacetato é gerado
pela enzima fosfoenol-piruvato-carboxilase, que vai converter o fosfoenol-
piruvato em oxalacetato. As reações de geração de oxalacetato têm como
objetivo impedir que os níveis de oxalacetato, substrato da primeira reação
do ciclo, caiam muito e o Ciclo de Krebs pare.
Apesar de o oxalacetato ser um precursor da síntese da glicose, o
acetil-CoA não o é, mesmo eles participando da mesma reação de formação de
citrato. Isso pode ser percebido pela degradação de ácidos graxos: caso o
acetil-CoA fosse um possível precursor da síntese de glicose, a degradação
de ácidos graxos formaria glicose, mas experimentalmente sabe-se que isso
não acontece. A degradação dos ácidos graxos forma apenas o acetil-CoA,
incapaz de se transformar em glicose.
Regulação do complexo enzimático Piruvato-Desidrogenase
O complexo da piruvato desidrogenase é fortemente inibido por ATP,
acetil-CoA e NADH, os produtos das reações catalisadas por esse complexo.
Tanto a E2 quanto a E3 são reguladas alostericamente. A E2 tem como
modulador alostérico positivo a coenzima A e a E3 tem como modulador
alostérico positivo o NAD+. Isso acontece porque a E2 transfere o acetil
para a coenzima A. Assim, conforme a concentração de coenzima A aumenta, a
velocidade da reação é aumentada. A E3 transfere seus elétrons ganhos
através da oxidação da diidro-lipoamida e redução do seu FAD em FADH2 para
o complexo NAD+. Dessa forma, quanto maior a concentração de NAD+, mais
rápida será a reação.
Analogamente, os moduladores alostéricos negativos da E2 e da E3 são,
respectivamente, o acetil-CoA e o NADH + H+. Ambos os moduladores negativos
são produtos das reações catalisadas pelas enzimas. Dessa forma, os
produtos, quando em grande quantidade, sinalizam que a conversão de
substrato em mais produto é desnecessária.
A E1 (piruvato-desidrogenase) é modulada por uma modificação
covalente em sua estrutura: a fosforilação. Quando a E1 está
desfosforilada, ela encontra-se ativa. Quando ela está fosforilada,
encontra-se inativa. A piruvato-desidrogenase-quinase vai fosforilar a E1.
A piruvato-desidrogenase-fosfatase vai desfosforilar a E1. A quinase e a
fosfatase fosforilam e desfosforilam a E1 respondendo a certas modificações
alostéricas:
QUINASE – a quinase vai fosforilar E1 quando houver NADH + H+ e acetil-CoA
no meio, ou seja, quando o produto HETPP for desnecessário, tornando a E1
inativa. O ADP e o piruvato vão atuar negativamente na quinase, tornando-a
inativa e fazendo com que não haja fosforilação da E1, tornando-a ativa. O
piruvato vai modular positivamente a E1 porque indica alta taxa de
glicólise e conseqüente necessidade de acetil-CoA. O ADP modula
positivamente E1 porque há escassez de ATP e E1 fará com que haja acetil-
CoA suficiente para formação de mais ATP. Esquematizando:
NADH + H+ - Quinase - Fosforilação de E1 - Atividade de E1
ADP e Piruvato - Quinase - Fosforilação de E1 - Atividade de E1
FOSFATASE – a fosfatase vai desfosforilar E1-Pi (inativa) quando a
atividade dessa enzima for novamente necessária. A fosfatase é geralmente
ativa na presença de Ca2+. O Ca2+ modula positivamente a fosfatase e,
conseqüentemente, a E1, pois a alta concentração de Ca2+ indica alta taxa
de contração muscular. Para essa contração muscular acontecer é necessário,
além do Ca2+, ATP. Dessa forma, a E1 será modulada positivamente para que
produza o ATP necessário. Esquematizando:
Ca2+ - Fosfatase - Desfosforilação de E1-Pi - Atividade de E1
A regulação do complexo piruvato desidrogenase afeta o Ciclo de Krebs
porque altera as taxas de formação de acetil-CoA, produto essencial para o
ciclo.
Regulação das enzimas do Ciclo de Krebs
São três as enzimas reguladas no Ciclo de Krebs: a isocitrato-
desidrogenase, a citrato-sintase e a α-ceto-glutarato-desidrogenase.
A isocitrato-desidrogenase sofre apenas regulação alostérica. Os
moduladores alostéricos positivos dessa enzima são o FAD+ e o ADP. O
modulador alostérico negativo é o NADH + H+. Em bactérias, a isocitrato-
desidrogenase é, também, regulada por modificações covalentes, sendo
inativada por fosforilação.
A citrato-sintase e a α-ceto-glutarato-desidrogenase sofrem regulação
alostérica. O modulador alostérico positivo da citrato-sintase é o ADP e
seus moduladores negativos são o NADH + H+, o succinil-CoA, o citrato
(produto da enzima) e o ATP.
A α-ceto-glutarato-desidrogenase tem como modulador alostérico
positivo o Ca2+ e como modulador alostérico negativo o succinil-CoA e o
NADH + H+.
O succinil-CoA é modulador alostérico negativo da citrato-sintase
mesmo sem jamais ser utilizado pela citrato-sintase. Ele inibe a citrato-
sintase através de meios de feedback negativo para que a velocidade do
Ciclo de Krebs diminua.
Em algumas plantas, pode acontecer o ciclo do bioxalato. Este ciclo
também acontece a partir do acetil-CoA e possui algumas enzimas em comum
com o Ciclo de Krebs, produzindo, no final do ciclo, o oxalacetato. No
ciclo do bioxalato, há duas enzimas que não existem no Ciclo de Krebs: a
isocitrato-liase e a malato-sintase. A isocitrato-liase degrada o
isocitrato em succinato e bioxalato. O bioxalato gera o malato através da
malato-sintase. O acetil-CoA dessas plantas, ao contrário do acetil-CoA
humano, é gliconeogênico.
