quarta-feira, 29 de maio de 2013

FORMAÇÃO DE ENERGIA


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

TCA cycle examples:




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

Estrutura

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
´
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
Inhibit the electron transport chain by binding more strongly than oxygen to the FeCu center in cytochrome c oxidase, preventing the reduction of oxygen.[81]
Inhibits ATP synthase by blocking the flow of protons through the Fo subunit.[80]
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]

Competitive inhibitors of succinate dehydrogenase (complex II).[84]







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 \longrightarrowoxaloacetate + 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]
Pyruvate can also be converted to L-malate, another intermediate, in a similar way.
-
This is a reversible reaction forming oxaloacetate from aspartate in a transamination reaction, via aspartate transaminase.
glutamate + NAD+ + H2O \longrightarrowNH4+ + α-ketoglutarate + NADH + H+.
This reaction is catalysed by glutamate-dehydrogenase.
-
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 \longrightarrowAMP + 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%