PRODUÇÃO DE ENERGIA
Introdução ao metabolismo
Oxi-reduções biologicas
Deidrogenases
Coenzimas quinonicos
Citocromios
Cadeias de oxidação-redução
Fosforilação oxidativa
Ciclo de Krebs
Capitulo 1
Introdução ao metabolismo
Metabolismo
Totalidade das transformações químicas do organismo
Divide-se em anabolismo e catabolismo
Energia
É a capacidade em realizar
trabalho
A energia cinética\está relacionada com o movimento
A energia potencial é a energia armazenada que poderá ser
utilizada quando necessário
Catabolismo
Degradação de macromoleculas para originar pequenas
moléculas que ou são utilizadas em
biosintese ou na formação de energia ou são excretadas
Anabolismo
Síntese de macromoleculas a partir de pequenas unidades
formadas no decorrer do catabolismo
Capitulo 2
OXI-REDUÇÕES BIOLOGICAS
Bibliografia
Conceitos de oxidação e redução
Após Lavoisier considerava-se por oxidação o ganho de
oxigénio por um composto e por redução a sua perda
Wieland demonstrou que pode haver oxidação sem ganho de
oxigénio mas sim por perda de hidrogénio
Actualmente sabe-se que a oxidação é a perda de electrões da
camada externa
Como o aceitador de electrões mais importante é o oxigénio e
o dador o hidrogénio, estes conceitos são todos
válidos
Transporte de electrões ou de
hidrogénio
A primeira etapa das oxidações biológicas é a captação de
hidrogénio por deidrogenases
A ultima etapa é a combinação do hidrogénio com o oxigénio
Entre estas duas etapas há uma sucessão de intermediários,
os transportadores de hidrogénio ou de electrões, os transportadores de
hidrogenio ou de electrões
Estes transportadores são sistemas reversíveis que na sua
forma oxidada aceitam átomos de hidrogénio ou electrões, transformando-se na
sua forma reduzida que em seguida transferem o hidrogénio ou electrões para
outro transportador, voltando para a forma inicial.
Como a combinação imediata do oxigénio e hidrogénio levaria
a uma grande dissipação de calor este sistema fracciona a energia em vários “
degraus” permitindo um seu melhor aproveitamento.
Etapas das oxidações biologicas
Nas oxi-reduções biológicas a
reacção de base é a transferência de electrões. Em biologia o aceitador de
electrões mais importante é o oxigénio e o dador é o hidrogenio
A primeira etapa é a activação de
átomos hidrogénio de certos metabolitos por desidrogenases
A ultima etapa seria a combinação
do hidrogenio com o oxigénio para formar agua ou agua oxigenada
Entre estas duas etapas há uma
sucessão de intermediários biológicos, os transportadores de hidrogénio ou de
electrões que amortecerão a energia e a desviarão para a formação de ATP
Noção de transportador
Os sistemas transportadores são
sistemas de oxi-redução reversíveis que na sua forma oxidada aceitam átomos de
hidrogénio ou electrões, ficando na forma reduzida. Em seguida transferem o
hidrogénio ou electrões para outros aceitadores de menor nível energético, voltando
ao seu estado inicial
CAPITULO 3
Deidrogenases
Deidrogenases mais importantes
- aldehyde dehydrogenase
- acetaldehyde dehydrogenase
- alcohol dehydrogenase
- glutamate dehydrogenase (an enzyme
that can convert glutamate to α-Ketoglutarate
and vice versa).
- lactate dehydrogenase
- pyruvate dehydrogenase (a common enzyme
that feeds the TCA Cycle in converting Pyruvate
to Acetyl
CoA)
- glucose-6-phosphate
dehydrogenase (involved in the pentose phosphate pathway)
- glyceraldehyde-3-phosphate
dehydrogenase (involved in glycolysis)
- sorbitol dehydrogenase
TCA cycle
examples:
- isocitrate dehydrogenase
- alpha-ketoglutarate
dehydrogenase
- succinate dehydrogenase
- malate dehydrogenase.
Coenzimas piridinicos
Estrutura
Contem na sua estrutura a
nicotinamida
Existem dois coenzimas o NAD (Nicotinamida dinucleotido) e o
NADP (Nicotinamida dinucleotido fosfato)
Os dois são dinucleotidos
combinados com a nicotinamida
Os dois contêm uma molécula de nicotinamida, , uma de
adenina, duas de ribose e uma de
pirofosfato
O NADP tem mais um
fosfato
Só o NAD faz parte do sistema de transporte
Biosintese
O organismo sintetiza a adenina e a ribose.
A nicotina é sintetizada parcialmente a partir da triptofana
mas em quantidade muito insuficiente pelo que é necessário um aporte exterior,
pelo que a nicotinamida é considerada uma vitamina ( vitamina PP)
Mecanismo de acção
Captam reversivelmente dois equivalentes redutores, um como
hidrogénio no C4 e outro como electrão no N
Deidrogenases
A maior parte das deidrogenases ligadas a estes coenzimas
são especificas para o NAD e algumas para o NADP.
Algumas deidrogenases, como a glutamico-deidrogenase
trabalham com os dois coenzimas
Muitas destas deidrogenases contêm iões metálicos bivalentes
que ligam o NAD ou NADP ao apoenzima
Coenzimas flavinicos
Estrutura
A vitamina B2 ou riboflavina
entra na sua composição
Coenzimas flavinicos existentes
FMN ou flavina mononucleotido –
É o acido riboflavino-5-fosforico
FAD ou flavina adenina dinucleotido – É o FMN ligado ao ADP
Mecanismo de acção
Capta dois hidrogénios
cortesia de Joyce Diwan
Síntese
A riboflavina não é sintetizada
no organismo – é uma vitamina
A riboflavina é transformada em FMN pela flavocinase
Uma fosforilação na presença de ATP origina o FAD
CAPITULO 4
Coenzimas
quinonicos
Estrutura
Derivam da ubiquinona ou
coenzima Q
Têm um núcleo quinonico ligado a um isopreno
O mais importante é a ubiquinona 50 ou coenzima Q10
cortesia de Joyce Diwan
Mecanismo de acção
Capta dois hidrogénios
Síntese
A origem do núcleo quinonico é
mal conhecida
A cadeia quinonica tem os mesmos intermediários da síntese
do colesterol
CAPITULO 5
Citocromos
São pigmentos tetrapirrolicos
com ferro de valência variavel
Citocromo c
Mecanismo de acção
Transportam um electrão com mudança de
valência do ferro
Capitulo 6
CADEIAS DE OXIDAÇÃO-REDUÇÃO
Bibliografia
Conceitos
Energia do transporte de electrões
Quando os electrões são transferidos de um composto para
outro, realiza-se uma acção de oxidação-redução em que o dador de
electrões é um agente redutor e o
aceitador um agente oxidante
Cada dador tem uma pressão electrónica característica e o
aceitador uma afinidade electronica
Tais pressões e medem-se pelo potencial de oxidação-redução
Sequencia
Os dadores de electrões colocam-se em séries de pressão
electrónica decrescente
Os electrões flúem do mais negativo para o imediatamente
abaixo da escala
Há um fluxo dos
electrões para aceitadores mais positivos até finalmente encontrarem o oxigénio
O citocromo a3 é o elo final da cadeia, transportando
hidrogenio para e combinar com o oxigénio
Na figura seguinte indicamos os potenciais de oxi-redução
dos componentes da cadeia respiratória
cortesia de Ben Best
Partículas elementares
Ultra-estrutura mitocondrial
Nas mitocondrias isolaram-se estruturas funcionais
elementares as partículas elementares de Green
e Hatefi
Cada partícula é constituída por um sistema de transporte de
electrões, uma proteína contráctil e um sistema de associação com a
fosforilação oxidativa
Green e Hatefi descreveram complexos com estruturas fixas
(citocromos e flavoproteinas) estruturas
moveis ( citocromo c e coenzima Q) que deslocando-se em meio lipidico fazem a
ligação com as partículas fixas
Complexos de Green e Hatefi
Complexo I
É a NADH-deidrogenase
Tem como coenzimas a FMN e um
centro Fe-S
cortesia de Joyce Diwan
A
sequencia é NADH-FAD -centro Fe-S
Os electrões são
transportados pelo CoQ para o complexo III
CoQ ou ubiquinona
É uma molécula solúvel nos
lipidos que aceita electrões dos complexos I e II para os enviar para o III
Complexo III
É
a CoQ-cit.c redutase
Contem citocromos b e c1 e
Fe-S
A sequencia é cit.b –
Fe-S-cit.c1
Citocromo c
É uma proteína solúvel que
transporta os electrões do complexo III para o complexo IV
Complexo IV
É
a citocromo c-oxidase
Contem cobre, cit. A e cit.a3
A sequencia é cit.c – Cu –
cit.a – cit. a3 – O2
É o elo final da cadeia
Forma-se agua ou peróxido de
hidrogénio
Complexo II
É
a succinico-CoQ deidrogenase
Os coenzimas são FAD, centro
Fe-S e citocromo b560
Recebe electrões dos enzimas
com FAD
A sequencia é FAD- Fe-S –
citocromo b-560
ANIMAÇÕES
http://www.sp.uconn.edu/~terry/images/anim/ETS_fast.html
Inibidores
Inhibitors of Oxidative Phosphorylation
Name
|
Function
|
Site of Action
|
Rotenone
|
e– transport inhibitor
|
Complex I
|
Amytal
|
e– transport inhibitor
|
Complex I
|
Antimycin A
|
e– transport inhibitor
|
Complex III
|
Cyanide
|
e– transport inhibitor
|
Complex IV
|
Carbon Monoxide
|
e– transport inhibitor
|
Complex IV
|
Azide
|
e– transport inhibitor
|
Complex IV
|
2,4,-dinitrophenol
|
Uncoupling agent
|
transmembrane H+ carrier
|
Pentachlorophenol
|
Uncoupling agent
|
transmembrane H+ carrier
|
Oligomycin
|
Inhibits ATP synthase
|
OSCP
fraction of ATP synthase
|
http://themedicalbiochemistrypage.org/oxidative-phosphorylation.html
Oxidação do NADH extra-mitocondrial
As mitocondrias não são
permeáveis ao NADH.
Como as cadeias de
oxi-redução são mitocondriais tem que haver mecanismos de transporte
Este mecanismo é
caracterizado por dois mecanismos de vai-vem –
glicerofosfato-fosfodihidroxiacetona no musculo e alfahidroxibutirico-alfa
cetobutirico
Capitulo 7
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
Donde provem a energia que os processos de síntese
necessitam para a sua realização?
Nas plantas a energia provem da energia solar através da
fotosintese
Nos animais provem pela formação no decorrer do catabolismo
de ligações fosfato ricas em energia
Ligações
fosfato ricas em energia
Tipos de ligação fosfato
Ligações de fraco potencial
A
sua hidrolise liberta pouca energia
Ligações de forte potencial
A
sua hidrolise liberta muita energia
Representam-se
pelo sinal ~
Encontram-se
na sua quase totalidade nos nucleotido trifosfatos e na fosfocreatina
Nucleotido-trifosfatos
No decorrer de algumas
reacções metabólicas formam-se ligações
fosfato ricas em energia, designadas por ~P.
Estas ligações quando
hidrolisadas libertam energia.
Encontram-se no ATP, GTP e
UTP
O mais importante dador de
energia é o ATP
Fosfagéneos
No musculo a energia pode ser
armazenada em moléculas que constituem o grupo dos fosfageneos
Quando o ATP se esgota após um
esforço máximo e prolongado, as ligações de fosfato ricas em energia
hidrolisam-se, formando-se energia
Quando o esforço cessa o ATP
formado vai regenerar os fosfageneos
Nos vertebrados, os
fosfageneos são representados pela fosfocreatina
a
Fosforilação ligada ao substracto
O ATP é formado quase
exclusivamente pela fosforilação oxidativa, associada àcadeia de transporte de
electrões
Nalgumas reacções catabolicas
há um rearranjo molecular em que se forma directamente uma ligação de forte
potencial – é a fosforilação ligada ao substracto
ATP
Fórmula
É
um trinucleotido, a adenosina trifosfa
Funções
·
É o dínamo
energético do organismo pois é nele que se acumula a quase totalidade da
energia formada no organismo
A sua hidrolise em ADP liberta 7,3
kcal
·
Entra na síntese
do RNA
·
Regula muitas
reacções metabólicas
Síntese
Forma-se
por fosforilação do ADP
Necessita de energia – 7,3
kcal/mol
Faz-se nas mitocondrias
Na fotossíntese ocorre nos
cloroplastos
ATP sintase
Também é conhecida por H+ ATPase ou FoF1-ATPase
Tem duas subunidades, a Fo que permite a passagem de protões
através da membrana e a F1 que
contem o sitio catalítico
Os seus inibidores são a
oligomicina e a diciclohexilcarbodimida
ANIMAÇÕES
Transporte de ADP e ATP
´
A ATP
translocase, situada na membrana interna das mitocondrias permite o
transporte de uma molécula de ATP para o espaço intermembranario em troca com
uma molécula de ADP
Uma outra proteína
transportadora, a porina, permite
que o ATP atravesse a membrana externa para se dirigir ao citoplasma
Fosforilação
oxidativa
É o aproveitamento da energia
libertada durante o transporte de electrões para formar ATP
A energia liberta-se em três
pontos de associação – complexos I, II e IV
Os electrões que entram na
cadeia pelo NADH formam 3 ATP
Os que entram pelo FAD formam
2
Inibidores da fosforilação oxidativa
Compounds
|
Use
|
Effect on
oxidative phosphorylation
|
Poisons
|
||
Poisons
|
Ionophores that disrupt the proton gradient
by carrying protons across a membrane. This ionophore uncouples proton pumping from ATP synthesis
because it carries protons across the inner mitochondrial membrane.[82]
|
|
Prevents
the transfer of electrons from complex I to ubiquinone by blocking to the
ubiquinone-binding site.[83]
|
||
Controle da fosforilação oxidativa
É
controlada pela razão ADP/ATP
Quando o ADP está elevado
aumentam as transferências de electrões a partir dos substractos disponíveis,
passando-se o contrario quando o ATP está elevado
ANIMAÇÕES
CAPITULO 8
Ciclo de Krebs
Bibliografia
Conceito e funções
Conceito
Também é conhecido por ciclo dos ácidos tricarboxilicos ou
ciclo do acido cítrico
É a via de oxidação final dos catabolitos
As reacções passam-se na matriz das mitocondrias
Funções
É o precursor de muitos
compostos
Oferece um processo de degradação de muitos resíduos acetilo
formados no catabolismo
Fornece a maior parte dos electrões para a cadeia
respiratória
Etapas
Formação do acido cítrico
O acetil-CoA cede o acetilo a um acido com quatro carbonos,
o acido oxaloacetico
O enzima é a citrato
sintase ou enzima condensante
A energia para a reacçãoitrico é dada pela ruptura da
ligação tioester do acetil-CoA
A reacção é inibida pelo ATP e NADH e estimulada pelo ADP
Isomerisação em acido isocitrico
Esta
isomerisaçáo faz-se tendo como intermediário o acido aconitico
A reacção é catalisada pela
aconitase
São necessários o Fe++ e o glutatião
A formação de ácidos tricarboxilicos – cítrico, isocitrico e
aconitico- explica a designação de ciclo dos ácidos tricarboxilicos
Oxidação do acido isocitrico
A isocitricodeidrogenase catalisa a conversão do acido
isocitrico em a-cetoglutaricocom o
acido oxalosuccinico como intermediário
O acido isocitrico desidrogena-se em oxalosuccinico, sendo
os hidrogénios transportados pelo NAD.
Em seguida descarboxila-se em a-cetoglutarico
O enzima é activo como um dimero
O ADP permite a reunião dos dois monómeros
Esta etapa é
fundamentalparaaregulação do metabolismo intermediário
No sector extra-mitocondrial sintetisa-se acido isocitrico
que não é activado pelo ADP e utilisa NADP
Não entra no ciclo de Krebs, sendo uma fonte de NADP
reduzido
Formação de succinil-CoA
É realizada por um complexo polienzimatico que compreende
apoenzima, difosfato de tiamina
(DTP),acido lipoico, CoA e magnésio
formando-se o sucinil-CoA
O acido lipoico é um acido de oito carbonos saturado em que
o C6 e o C8 estando ligados por uma ligação S-S formando um anel com cinco
membros
Com a redução da ligação S-S abre-se o ciclo, formando-se
acido dihidrolipoico
cortesia de Ben Best
Nesta descarboxilação oxidativa entram três enzimas
(descarboxilase, lipoil redutase e transsucinilase) e cinco coenzimas agrupados num complexo multienzimatico
Formação do acido sucinico
A sucinato tioquinase liberta o CoA do sucinil-CoA com a
formação intermediaria de sucinil-fosfato
A energia libertada
pela ligação de forte potencial é inicialmente captada pelo GTP sendo em
seguida transferida para o ADP
Há uma via alternativa nos tecidos extra-hepaticos, ligada à
utilização dos corpos cetonicos
Formação do acido fumarico
O acido sucinico transforma-se em fumarico pela acção da
sucinico-deidrogenase
O enzima contem quatro moléculas
de ferro e FAD
É inibida pelo acido maleico( isómero cis) e pelo acido
malonico
Formação do acido malico
O acido fumarico é hidratado em
malico pela acção da fumarase
Formação do acido oxaloacetico
A malicodeidrogenase desidrogena o acido malico em
oxaloacetico, recomeçando um novo ciclo.
O hidrogénio é transportado pelo NAD
Visão geral
ANIMAÇÕES
Balanço energético
Reacções anapleroticas
Bibliografia
Definição
Reacções que originam intermediários do ciclo de Krebs,
permitindo um maior processamento do metabolismo do acetil-CoA
Algumas reacções anapleróticas
From
|
To
|
Reaction
|
Notes
|
pyruvate + HCO3- + ATP
 oxaloacetate
+ ADP + Pi + H2O |
This
reaction is catalysed by pyruvate
carboxylase, an enzyme activated by Acetyl-CoA, indicating a lack of oxaloacetate. It occurs in animal mitochondria. Most important anaplerotic
reaction depending on severity, deficiency causes lactic acidosis, severe
psychomotor deficiency or death in infancy [1]
|
||
-
|
This is a
reversible reaction forming oxaloacetate from aspartate in a transamination reaction, via aspartate transaminase.
|
||
-
|
When
odd-chain fatty
acids are oxidized,
one molecule of succinyl-CoA is formed per fatty acid. The final enzyme is methylmalonyl-CoA mutase. Triheptanoin (fat with three heptanoic (C7:0)
fatty acids) may be used to treat pyruvate carboxylase deficiency
|
||
adenylosuccinate
AMP +
fumarate |
This
reaction is catalysed by adenylosuccinate lyase and occurs in purine synthesis and purine nucleotide cycle. Defect
of this enzyme [2] causes
psychomotor retardation.
|
Vai-vem do glicerofosfato
Utiliza a porina, um transportador externo que troca
pequenas moléculas de um lado e do outro das mitocondrias
Se a razão NADH/NAD no citoplasma se eleva pela acção das
deidrogenases, o NAD deidrogenase citoplasmica reduzirá a fosdihidroxiacetona
em glicerofosfato
Este glicerofosfato entrará nas mitocondrias para a
glicerofosfato deidrogenase mitocondrial reformar a fosfodihidroxiacetona que
será trocada contra o glicerofosfato acabado de entrar
Vai-vem malato-aspartato
No citossol a redução do
oxaloacetato em malato pela malato deidrogenase assegura a oxidação do
NADH em NAD
O malato é transportado em seguida para as mitocondrias onde
uma MDH o oxida em oxaloacetato com a redução do NAD em NADH
Como o oxaloacetato não atravessa a membrana mitocondrial é
transaminado em aspartato que atravessa a membrana
No citossol o aspartato é transaminado em oxaloacetato
Este ciclo permite transferir um NADH para as mitocondrias,
com um ganho subsequente de 3 ATP
Ciclo de Krebs, placa giratória do
metabolismo
O ciclo de Krebs é alimentado por compostos vindos de outros
metabolismos
Por outro lado alguns
dos seus constituintes participam em reacções de síntese
Capitulo 9
PATOLOGIA DA CADEIA
RESPIRATORIA E DO CICLO DE KREBS
Envenenamento pelos cianetos
O cianeto é um veneno letal de acção muito rápida, muito
usado pelos espiões
É um inibidor do citocromo a3
A morte surge por falta de oxigenação dos tecidos
A morte só se pode evitar nos primeiros momentos da sua
administração formando metahemoglobina
pela administração de nitritos pois esta compete com o citocromo a3 formando o
complexo<metahemoglobina-cianeto
Uma outra solução é a
administração de tiosulfatos que pela acção do enzima rodanese forma um
tiocianato não tóxico
Venenos de plantas e ciclo de Krebs
Algumas plantas contêm
fluoroacetato
Quando ingerido forma-se fluoroacetil-CoA que toma o lugar
do acetil-CoA, formando-se
fluoro~citrato
O fluorocitrato é um inibidor da aconitase, impedindo a
continuação do ciclo de Krebs
Deficiência em fumarase
São raras deficiências em
enzimas do ciclo de Krebs
Descreveram-se alguns casos de deficiência em fumarase
A urina contem uma grande quantidade de fumarato
Observam-se sinais de lesão do sistema nervoso
Deficiência da piruvico
deidrogenase
A deficiência de qualquer dos componentes deste complexo
multienzimatico está associada a acidose láctica e disfunção do sistema nervoso
central
Oprognostico é mau
Doença de Leigh
É uma doença neurológica grave
Deve-se a disfunções no complexo IV ou no I
Insulina
Acção indirecta
Estimula o metrabolismo dos glucidos aumentando assim a
produção de energia
Acção directa
Estimula a actividade das mitocondrias
Tiroideia
A tiroxina dissocia a fosforilação oxidativa e o transporte
de electrões, havendo assim uma grande dissipação do calor no hipertiroidismo
Vitamina A
É necessária uma concentração óptima desta viamina para o bom funcionamento
das membranas mitocondriais.
Acima e abaixo desta concentração há modificações funcionais
dos enzimas associados às fosforilações oxidativas
Cirrose hepática
´
A produção do ATP no fígado diminui 30%
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Sorbitol dehydrogenase (or SDH) is a cytosolic enzyme. In humans this protein is encoded by the SORD gene. Sorbitol dehydrogenase is an enzyme in carbohydrate metabolism converting sorbitol, the sugar alcohol form of glucose, sorbitol dehydrogenase
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