Ciclo de Krebs - IQ-USP
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Metabolismo de Carboidratos. Profa.Dra. Leticia Labriola Abril 2012 Oxidação Completa da Glicose C6H12O6 + 6O2 + 6CO2 + 6H2O 36-38ADP + 36-38 Pi + 36-38ATP Via glicolítica gastou: 1 glicose, 2 ADP, 2 Pi, 2 NAD+ gerou: 2 ATP, 2 NADH, 2 Pyr Falta: “Usar” Pyr → Formação de AcCoA e Krebs “Reciclar” NADH → Transporte de elétrons Gerar CO2 → Formação de AcCoA e Krebs Formar ATPs → Fosforilação oxidativa NAD – Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo (coenzima) NADH FAD – Flavo Adenina Dinucleotídeo (grupo prostético) (Vit B2) aa AGL estágio 1 produção de Acetil-CoA Glicose glicólise A Respiração Celular ocorre em 3 estágios 1 – nutrientes são oxidados e geram Acetil-CoA piruvato (Glicólise, β-oxidação e oxidação de aminoácidos) coenzimas são reduzidas Acetil-CoA estágio 2 oxidação de Acetil-CoA oxaloacetato cadeia respiratória coenzimas são reduzidas citrato ciclo de Krebs transportadores de e- 2 – Acetil-CoA é oxidado a CO2 no Ciclo de Krebs 3 – Coenzimas são oxidadas, transferindo os e- para O2, formando água e armazenando a energia envolvida na forma de ATP, na Cadeia Respiratória (Cadeia de Transporte de e- + Fosforilação Oxidativa estágio 3 transferência de ee fosf. oxidativa Coenzima A (CoA) grupo reativo tiol adenina β-mercaptoetilamina ácido pantonênico ribose 3´- fosfato 3´-fosfoadenosina difosfato Acetil-CoA o grupo acetil proveniente da descarboxilação do piruvato se une à CoA através do grupo tiol desta O piruvato proveniente da glicólise é uma das principais fontes de Acetil-CoA Descarboxilação oxidativa Remoção irreversível de um CO2 do piruvato, gerando o grupo acetil que se liga à coenzima A (CoA), formando Acetil-CoA piruvato desidrogenase Piruvato Complexo Multienzimático 3 enzimas (PDH) piruvato desidrogenase diidrolipoil transacetilase diidrolipoil desidrogenase Acetil-CoA 5 coenzimas Formação de Acetil-CoA Formação de Acetil-CoA - 5 coenzimas / grupos prostéticos: tiamina pirofosfato (TPP) FAD Coenzima A NAD ácido lipóico - 5 vitaminas: tiamina (B1) riboflavina (B2) ácido pantotênico (CoA) (B5) niacina (nicotinamida) (B3) ácido lipóico Cofatores do Complexo da Piruvato Desidrogenase Piruvato desidrogenase (E1) • tiamina pirofosfato (TPP) vitamina precurssora tiamina (B1) Diidrolipoil transacetilase (E2) • coenzima A (CoA) ácido pantotênico (B5) Diidrolipoil desidrogenase (E3) • flavina adenina dinucleotídeo (FAD) • nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+) Diidrolipoil transacetilase (E2) • ácido lipóico riboflavina (B2) niacina (B3)/nicotinamida não deriva de vitaminas Formação de Acetil-CoA Regulação da Piruvato Desidrogenase -ATP, NADH, Acetil-CoA +AMP, NAD+ Regulação do Complexo Piruvato Desidrogenase (regulação alostérica e por modificação covalente) O complexo é formado por 3 enzimas e 5 coenzimas Os produtos da via, NADH e acetil-CoA, bem como ATP são efetores alostéricos negativos das enzimas do complexo As enzimas do complexo têm resíduos de serina, modificáveis por fosforilação As enzimas do complexo quando fosforiladas (por quinases) são inativas As enzimas do complexo quando desfosforiladas (por fosfatases) são ativas Além das 3 enzimas, o complexo tem uma quinase e uma fosfatase associadas NADH, Acetil-CoA e ATP ativam a quinase (e inibem o complexo) A diminuição de NADH, Acetil-CoA e ATP ativam a fosfatase (e ativam o complexo) A insulina ativa fosfatases no geral, tendo o mesmo efeito, bem como o Ca2+ e Mg2+ O excesso de acetil-CoA e NADH provenientes da β-oxidação durante o jejum inibem a síntese de acetil-CoA a partir de piruvato, favorecendo a gliconeogênese Oxidação Completa da Glicose C6H12O6 + 6O2 + 6CO2 + 6H2O 36-38ADP + 36-38 Pi + 36-38ATP Via glicolítica gastou: 1 glicose, 2 ADP, 2 Pi, 2 NAD+ gerou: 2 ATP, 2 NADH, 2 Pyr Form. de Acetil-CoA gastou: 2 NAD+, 2 Pyr gerou: 2 CO2, 2 NADH, 2 AcCoA Reação Global - Ciclo de Krebs Acetil-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi 2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP + CoA GTP + ADP nucleosídeo difosfato quinase GDP + ATP Regulação do Ciclo de Krebs - NADH, ATP +ADP citrato sintase Acetil-CoA + OxAc Citrato CoASH - NADH, ATP +ADP isocitrato desidrogenase Isocitrato NAD+ α cetoglutarato NADH - NADH, ATP α cetoglutarato α cetoglutarato desidrogenase CoASH NAD+ NADH CO2 Succinil-CoA Regulação do Ciclo de Krebs piruvato + (piruvato desidrogenase) - Ca2+, Mg2+ * Acetil-CoA (citrato sintase) - oxaloacetato malato * fumarato * succinato ATP, Acetil-CoA, NADH ATP ATP aumenta o KM da citrato sintase para acetilCoA citrato cis-aconitato isocitrato - + * α-cetoglutarato Succinil * + Ca CoA 2+ * Etapas que requerem coenzima oxidada (NAD+ ou FAD) (isocitrato desidrogenase) ATP ADP, Ca2+ (α-cetoglutarato desidrogenase) Succinil-CoA NADH, GTP, ATP Regulação do Ciclo de Krebs NADH, ATP +ADP +ADP NADH, ATP NADH, ATP ↓ ATP Regulação Integrada + AMP Frutose 6P - citrato (+ insulina no fígado) Fosfofrutoquinase 2 ATP ADP Pi Frutose 2,6 P Frutose 2,6 P Frutose 2,6 bisfosfatase + PEP (+ glucagon no fígado) Frutose 6P Substrato do Ciclo de Krebs regulando Glicólise GLICOSE frutose 6-fosfato ATP (fosfofrutoquinase) - Citrato ADP PIRUVATO frutose 1,6-difosfato O excesso de citrato indica abundância de precursores biossintéticos, e portanto a não necessidade de degradação de glicose Destinos Metabólicos do Citrato Fonte de NADPH no citossol, para biossíntese redutora Fonte de carbono para processos citossólicos biossintéticos, como ácidos graxos e esteróides (enzima málica) (fonte de acetil-CoA) citrato Regulador de outras etapas metabólicas (-) fosfofrutoquinase (+) Acetil-CoA carboxilase * Ciclo de Krebs Geração de Energia *Acetil-CoA carboxilase é a enzima que catalisa a formação de malonil-CoA a partir de acetil-CoA, o primeiro passo da síntese de ácidos graxos Piruvato NAD+ -ATP, NADH, Acetil-CoA CoA +AMP, NAD+ Piruvato desidrogenase CO2 NADH Acetil-CoA Citrato sintase Citrato - NADH, ATP Oxaloacetato +ADP ↓ ATP Regulação do Ciclo de Krebs NADH, ATP +ADP +ADP NADH, ATP NADH, ATP ↑ ATP Piruvato NAD+ -ATP, NADH, Acetil-CoA CoA +AMP, NAD+ Piruvato desidrogenase Piruvato carboxilase CO2 CO2 NADH ATP Acetil-CoA (biotina) +Acetil-CoA ADP + Pi Citrato sintase Citrato - NADH, ATP Oxaloacetato +ADP ↑ ATP Piruvato NAD+ -ATP, NADH, Acetil-CoA CoA +AMP, NAD+ Piruvato desidrogenase Piruvato carboxilase glucagon CO2 CO2 NADH ATP lipídeos Acetil-CoA (biotina) +Acetil-CoA ADP + Pi Citrato sintase - NADH, ATP Oxaloacetato +ADP Citrato Inibição do Ciclo de Krebs por Falta de Oxaloacetato glicólise (jejum, fígado, gliconeogênese) PIRUVATO β-oxidação intensa proteólise GLICOSE AMINOÁCIDOS FOSFOENOLPIRUVATO OXALOACETATO OXALOACETATO (malato desidrogenase citoplasmática) NADH NAD+ mitocôndria citossol O excesso de NADH da βoxidação desloca o equilíbrio em direção ao malato cetogênese (recicla CoA) CITRATO MALATO MALATO Esta oxidação gera NADH citossólico que é transferido para a matriz mitocondrial por lançadeiras específicas ACETIL CoA SUCCINIL CoA PORFIRINAS (grupo heme) α-CETOGLUTARATO AMINOÁCIDOS Piruvato NAD+ -ATP, NADH, Acetil-CoA CoA +AMP, NAD+ Piruvato desidrogenase Piruvato carboxilase CO2 CO2 NADH ATP Acetil-CoA (biotina) +Acetil-CoA ADP + Pi Citrato sintase Citrato - NADH, ATP Oxaloacetato +ADP ↓ ATP, ↓ Oxaloacetato Regulação do Ciclo de Krebs NADH, ATP +ADP +ADP NADH, ATP NADH, ATP ↓ ATP Inibição do Ciclo de Krebs Jejum ou Atividade Física Prolongada (fígado) - Consumo do oxaloacetato para produção de glicose via gliconeogênese - Acúmulo de Acetil-CoA e NADH proveniente da intensa β-oxidação Abundância de aporte energético - Inibição das enzimas por excesso de ATP (e falta de ADP) e excesso de coenzimas reduzidas – NADH e FADH2 (falta de coenzimas oxidadas – NAD+, FAD) Envenenamentos O Arsênico na forma de sais de arsenito (AsO33-) ou sais orgânicos é tóxico porque se liga covalentemente a sulfidrilas, especialmente as vicinais, como no caso das lipoamidas, presentes na piruvato desidrogenase e α-cetoglutarato desidrogenase. O fluoracetato (acetato fluorado), presente nas folhas de certas plantas venenosas na África, Austrália e América do Sul é tóxico porque é convertido a fluoracetil-CoA e então convertido a fluorcitrato pela citrato sintase. Inibe a aconitase e o transporte de citrato através da membrana interna da mitocôndria. Potentíssimo: LD50 = 0,2mg/Kg de peso corpóreo em ratos (ingerido, inalado ou absorvido pela pele) – Produção, Comercialização e uso proibidos pela OMS Regulação do Ciclo de Krebs em outros níveis (isoformas, nível de expressão, transporte) Há diferentes isoformas das enzimas do complexo piruvato desidrogenase A expressão das isoformas parece ser tecido dependente e dieta dependente Dietas ricas em lipídeos ativa algumas, enquanto outras são favorecidas por dietas ricas em carboidratos – processo pouco compreendido! Estas enzimas mitocondriais são produzidas no citossol. Não só o nível de expressão influencia o ciclo, como também a velocidade de transporte destas para a mitocôndria Deficiência de Piruvato Desidrogenase - Crianças com acidose lática, acúmulo de piruvato e alanina - Geralmente em casamentos cossangüíneos - Acometimento cerebral - Dieta hipocalórica (predomínio de gorduras sobre carboidratos) 1. Indicar as vitaminas necessárias para a produção de acetil-CoA a partir de piruvato, e a localização intracelular desta reação. 2. Indicar a localização celular das enzimas do ciclo de Krebs e descrever os passos irreversíveis do ciclo. Indicar as vitaminas necessárias. 3. Escrever a reação global da metabolização da acetil-CoA pelo ciclo de Krebs. 4. Descrever a regulação do ciclo de Krebs em função das relações de ATP/ADP e NADH/NAD+. (Recorde também quais os efeitos de mudanças nos níveis de ATP/ADP e NADH/NAD+ na glicólise e neoglicogênese.) 5. Quais dos compostos a seguir aumentam a concentração de oxaloacetato em uma suspensão de mitocôndrias: acetil-CoA, piruvato, glutamato, citrato, ácidos graxos? Justifique, e explique porque estes compostos são gliconeogênicos. 6. Descrever os mecanismos de regulação da piruvato desidrogenase e piruvato carboxilase. Como essa regulação afeta a velocidade das reações do ciclo de Krebs? Como afeta a gliconeogênese? 7. Indicar a direção preferencial da reação catalisada pela aconitase se reagentes e produtos estiverem em concentrações equivalentes. Qual o composto que se acumula quando o ciclo de Krebs é inibido por altas relações ATP/ADP e NADH/NAD+? Relacionar a atividade da via glicolítica com a atividade da isocitrato desidrogenase. 8. O beriberi, uma doença causada pela deficiência de tiamina (vitamina B1), é caracterizado pelo acúmulo de piruvato, especialmente após refeições ricas em carboidratos. Explique porque ocorre este acúmulo. 9. A síndrome de Wernicke-Korsakoff é caracterizada por confusão mental, ataxia, oftalmoplegia e letargia, observada normalmente em alcoólatras crônicos. Esta síndrome pode ser revertida completamente através da administração de tiamina. Baseado nesses dados, explique a causa da doença e porque compromete principalmente as funções cerebrais. 10. A deficiência de biotina, uma doença rara, causa intolerância a exercício e hipoglicemia de jejum. Explique esse quadro clínico.
