BIOENERGÉTICA Na célula milhares de compostos estão a ser sintetizados e degradados em simultâneo. Metabolismo: é o conjunto de todas as reacções envolvidas na manutenção deste estado dinâmico. No geral as reacções metabólicas podem ser divididas em dois grupos: reacções catabólicas e reacções anabólicas. O nosso organismo utiliza uma via catabólica diferente para cada família de macromoléculas, porém todas elas convergem para uma única via. O principal propósito das diferentes vias catabólicas é converter a energia química dos alimentos em moléculas de ATP e obter ainda percursores para síntese de determinados metabolitos. 1 A célula e a Mitocôndria A célula animal típica possui inúmeros componentes os quais servem para diferentes funções. 2 A mitocôndria é o organelo dos organismos superiores onde ocorre a via catabólica comum. 3 Membrana interna Cristas Matriz Membrana externa As enzimas do ciclo do ácido cítrico estão essencialmente localizadas na matriz mitocondrial. Os principais componentes da via catabólica comum Existem duas partes comuns à via catabólica: 1ª ciclo do ácido cítrico, 2ª fosforilação oxidativa. É importante compreender a molécula de ATP. As ligações P-O-P do anidrido fosfórico contém mais energia química (7,3 kcal/mol) do que as ligações C-O-P dum fosfoéster (3,4 kcal/mol). Pi ATP Pi ADP 7,3 kcal/mol Pi AMP 7,3 kcal/mol 4 A 3,4 kcal/mol O ATP e o ADP cotem ligações fosfato de elevada energia. O ATP é uma forma de armazenamento de energia por um curto tempo de vida. A molécula de ATP permanece na célula durante, aproximadamente, 1 minuto. Estimativas sugerem que durante um exercício violento o corpo humano produz e degrada mais de 0,5 Kg de ATP por minuto (≃9.000.000 €/min). Para além do ATP, outras moléculas podem também ser utilizadas como moléculas armazenadoras de energia, são elas as coenzimas NAD+ e FAD. 5 O C NH2 Nicotinamida N+ O H H2C H H OH H NH2 O - P O O N O - P O O Ribose H N ADP O CH2 H N O H H OH H N H NAD+ H3C NH2 CH3 N H OH OH OH H N N C C H H O O O C C C O P O P H H H O - N H2 O C - O O N N H Flavina H O Ribitol H H OH H ADP Riboflavina FAD 6 H N N As coenzimas NAD+ e FAD são muitas vezes vistas como moléculas transportadoras de electrões. Outra molécula importante nesta via catabólica comum é a coenzima A (Co A), a qual é uma molécula transportadora de um grupo acetilo. A coenzima A também contém ADP, o qual está ligado ao ácido pantoténico (uma das formulas estruturais da vitamina B) Ligação de elevada energia CoA S C O 7 CH3 CO2 COOC O CH3 HS CoA S CoA Piruvato desidrogenase NAD+ C O CH3 NADH 8 Bioenergética: conversão dos alimentos em energia CO2 COOC HS-CoA Piruvato desidrogenase NAD+ NADH O CH3 S CoA C O CH3 Piruvato Acetil CoA Reacções do ciclo do ácido cítrico O ciclo do ácido cítrico também conhecido por ciclo de Krebbs ou dos ácidos tricarboxílicos é constituído por 8 passos: 1ª reacção: enzima citrato sintase S CoA C O CH3 Acetil CoA + COOC O CH2 COO- Oxaloacetato COOCH2 HS-CoA H2O Citrato sintase HO C COOCH2 COOCitrato ∆G’º=-32,2 kJ/mol Esta é a única reacção do ciclo do ácido cítrico na qual há formação de uma ligação C-C. S CoA C O C H H H S CoA C O C C C H O- S CoA H H O H carbanião AsP C O 2ª reacção: enzima aconitase H2C HO C H C H COOCH2 H2O COOCOO- aconitase COO- Citrato H2O C COOC H2O H COO COOCH2 - aconitase H2O Cis-Aconitato H C COOHO CH COO- 2R-3S-Isocitrato ∆G’º=13,3 kJ/mol 3ª reacção: enzima isocitrato desidrogenase COOCH2 NAD(P)H+H+ COOCH2 COOCH2 CO2 + NAD(P) C COO- Isocitrato HC COO- Isocitrato CH2 desidrogenase desidrogenase H HO CH COO- 2R-3S-Isocitrato C O COOOxalo succinato H+ C O COO- α-cetoglutarato ∆G’º=-20,9 kJ/mol 4ª reacção: enzima α-cetoglutarato desidrogenase COOCH2 CH2 C O COO- NADH + NAD α-cetoglutarato desidrogenase HS-CoA CO2 COOCH2 CH2 C O S-CoA Succinil CoA α-cetoglutarato ∆G’º=-33,5 kJ/mol 5ª reacção: enzima succinil-CoA sintase COOCH2 CH2 GTP HS-CoA GDP+Pi C O S-CoA Succinil CoA Succinil CoA sintase COOCH2 H2C COOSuccinato ∆G’º=-2,9 kJ/mol COOCH2 CH2 1 C O O- N S-CoA O- His NH P O OH HS-CoA COOCH2 CH2 HS-CoA + H COOCH2 CH2 H+ - O + P N His - O NH O GDP+H+ O O- O- C C O 2 3 O GDP+H+ P O N O- His GTP GTP NH 4 N His NH 6ª reacção: enzima succinato desidrogenase COOCH2 H2C COOSuccinato FADH2 FAD Succinato desidrogenase COOCH HC COOFumarato ∆G’º=0 kJ/mol 7ª reacção: enzima fumarase COOCH HC H2O Fumarase COO- COOHO CH HC H COO- L-Malato Fumarato ∆G’º=-3,8 kJ/mol 8ª reacção: enzima L-Malato desidrogenase COOHO C H HC H COOL-Malato NADH + H+ NAD+ Malato desidrogenase COOO C H2C COOOxaloacetato ∆G’º=29,7 kJ/mol Como é que o ciclo do ácido cítrico leva à produção de energia? Numa das etapas há formação de uma molécula de elevada energia (GTP) e noutras duas há conversão de NAD+ em NADH e FAD em FADH2. Estas coenzimas (potencial redutor) transportam que podem H+ e electrões num processo subsequente ser utilizadas para a síntese de ATP. O ciclo para oxidação do acetato para além de maximizar a conservação da energia obtida, proporciona ainda materiais de partida para a síntese de aminoácidos e proporciona um excelente método para regulação da velocidade das reacções catalíticas. Reacção representativa da totalidade das reacções do ciclo do ácido cítrico: CH3COOH + 2H2O + 3NAD+ + FAD ⇌ 2CO2 + 3NADH + FADH2 + 3H+ O ciclo do ácido cítrico é controlado por um mecanismo de feedback Quando alguns dos produtos formados (ATP e NADH) são acumulados, observa-se a inibição de algumas enzimas do ciclo: citrato sintase, isocitrato desidrogenase, α-cetoglutarato desidrogenase. Quando a acetil-CoA é abundante, a velocidade do ciclo é aumentada, sendo a enzima isocitrato desidrogenase estimulada por ADP e NAD+. Fosforilação oxidativa As coenzimas reduzidas (NADH e FADH2) são produtos finais do ciclo do ácido cítrico, que podem reduzir o oxigénio a água: 4H+ + 4e- + O2 → 2H2O Esta reacção altamente exotérmica é realizada em diversas etapas, de forma a maximizar-se a conservação da energia libertada. A transferência dos electrões até ao oxigénio faz-se através de várias enzimas de acordo com uma determinada sequência. São bombeados 6H+ por cada NADH oxidado e 4H+ por cada FADH2 oxidado. Fosforilação e a bomba quimiosmótica Peter Mitchell em 1961 formulou a teoria quimiosmotica: a energia obtida da transferência de electrões é conservada na formação de um gradiente de protões. A força motora que leva a que ocorra um movimento espontâneo de iões das regiões de maior concentração para as de menor concentração leva a que os iões retornem à matriz através de uma enzima transmembranar denominada por ATPase/ATPsintase (complexo V). Esta enzima catalisa a conversão de ADP em ATP: ADP + Pi ⇄ ATP + H2O Equações globais da fosforilação oxidativa NADH+3ADP+½O2+3Pi+H+→NAD++3ATP+H2O FADH2+2ADP+½O2+2Pi→FAD+2ATP+H2O Rendimento energético A energia libertada na cadeia transportadora de electrões é conservada na molécula de ATP. Por cada 2 protões que entram na matriz mitocondrial ocorre a produção de uma molécula de ATP. Por cada grupo acetilo que entra no ciclo do ácido cítrico são obtidos 3 NADH e 1 FADH2 mais 1 GTP. 3NADH x 3ATP/NADH = 9 ATP 1FADH2 x 2ATP/FADH2 = 2 ATP 1GTP = 1 ATP 12 ATP C2+2O2+12ADP+12Pi → 12ATP + 2CO2