Respiração celular, Notas de estudo de Farmácia

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Sandra Maria Silveira Denadai

Campo Grande-MS

CICLO DE KREBS OU CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO

OU CICLO DO ÁCIDO TRICARBOXÍLICO - TCA

I - VISÃO GERAL

Uma série de reações, que degrada grupos acetil, liberando equivalentes de hi- drogênio que por oxidação liberam a energia livre de aminoácidos, ácidos graxos e carboidratos - função central é a oxidação de acetil CoA  CO 2 + H 2 O – consome 2/3 O 2 gasto. E participa de reações de síntese - formação de glicose a partir dos es- queletos carbonado dos aminoácidos e fornece precursores para a síntese do heme. Ocorre na matriz mitocondrial associado a fosforilação oxidativa. Fontes de acetil CoA – descarboxilação oxidativa do piruvato e -oxidação de ácidos graxos. II – REAÇÕES DO CICLO DE KREBS No Ciclo de Krebs, o oxalacetato é condensado ao acetato e a seguir regene- rado, à medida que o ciclo é completado – círculo de trânsito metabólico, com com- postos entrando e saindo conforme necessário. A - Descarboxilação oxidativa do piruvato Piruvato da glicólise, é transportado para dentro da mitocôndria, através de um transportador de piruvato – simporte, um próton é co-transportado. a - Oxidação do piruvato - complexo piruvato-desidrogenase - localizado na ma- triz mitocondrial  acetil CoA, principal combustível do ciclo. Reação irreversível

• impede a formação de piruvato a partir do acetil CoA – explica por a glicose não pode ser formada a partir do acetil CoA na gliconeogênese. Não faz parte do ciclo. Complexo piruvato-desidrogenase é um agregado multimolecular de três en- zimas: piruvato descarboxilase, diidrolipoil transacetilase e diidrolipoil desidro- genase. Coenzimas – pirofosfato de tiamina, ácido lipóico, NAD
  • , FAD e CoA. b – Regulação da piruvato-desidrogenase 1 – Feed-back - inibida pelo acetil CoA - acumula quando é produzido mais rápido do que pode ser oxidado no ciclo. E por níveis elevados de NADH - cadeia de transporte de elétrons (CTE) - sobrecarregada de substrato e O 2 é limitado e ATP. Estimulada por Ca ++ e K + . 2 - Modificação covalente – piruvato-desidrogenase - inativa - desfosforilada pela fosfatase e ativa - fosforilada - quinase. Aumento acetil CoA/ CoA, NADH/NAD

e diminuição ADP/ATP - ativa a quinase e inibe a fosfatase. Inanição – diminui a forma ativa da enzima e a administração de insulina aumenta a atividade no tecido adiposo, mas não no fígado. Glucagon e epinefrina – AMPc – fosforilação– ativa.

G - Oxidação do malato Malato é oxidado a oxalacetato pela malato desidrogenase - produz NADH. III – ESTEQUIOMETRIA DO CICLO DE KREBS

Acetil CoA + 3NAD

+ FAD + GDP + Pi + 2H 2 O  2CO 2 + 3NADH +

FADH 2 + GTP + 3H

+ CoA

Dois átomos de carbonos entram como acetil CoA e saem como CO 2. Quatro pares de elétrons são transferidos: 3 pares para o NAD

e 1 para o FAD. Oxidação de 1 NADH pela CTE produz 3 ATP e 1 FADH 2 produz 2 ATP. IV – REGULAÇÃO DO CICLO DE KREBS a – Regulação por alteração da atividade enzimática - regulado por enzimas alos- téricas - citrato sintase, isocitrato desidrogenase e -cetoglutarato desidrogenase. b – Regulação pela disponibilidade de ADP - gasto de energia na contração mus- cular e reações biossintéticas - ATP  ADP + Pi. Aumento na [ADP] acelera a síntese de ATP – fosforilação oxidativa (FO) – acelera até atingir a velocidade de consumo de ATP. ADP ou Pi em concentrações reduzidas - diminuem a formação de ATP pela FO, falta aceptor de fosfato - velocidade da FO é proporcional à relação [ADP][Pi]/[ATP]. Oxidação de NADH e FADH 2 pela CTE cessa se o ADP é insu- ficiente - oxidação e fosforilação são acoplados e simultâneos. Acúmulo de NADH e FADH 2 – inibe o CK - falta coenzimas oxidadas. V – CORRELAÇÃO CLÍNICA Acidose láctica - deficiência de piruvato desidrogenase – níveis séricos elevados de lactato, piruvato e alanina – acidose láctica crônica, defeitos neurológicos graves

• morte. Tratamento – dieta cetogênica e pobre em carboidratos. Choque – decrés- cimo na distribuição de O 2 para os tecidos inibe a enzima e aumenta o metabolismo anaeróbico – tratamento – dicloroacetato – inibidor da piruvato desidrogenase quinase e ativador da piruvato desidrogenase. Deficiência de fumarase – mitocôndria e citosol dos tecidos – linfócitos – danos neurológicos severos – encefalopatia e distonia, urina altas concentrações de fumara- to e succinato, -cetoglutarato, citrato e malato (Glu 319 substituído por Gln).

CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS I – INTRODUÇÃO A energia útil liberada pela oxidação – glicose, aminoácidos e ácidos graxos, torna-se disponível na mitocôndria como equivalentes redutores (-H ou eo

• ) coen- zimas - nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD

) e flavina adenina dinucleo- tídeo (FAD)  NADH + H

e FADH 2. Coenzimas reduzidas - ricas em energia - doam elétrons a transportadores de elétrons - cadeia de transporte de elétrons (CTE) – coleta e transporta equivalentes redutores para O 2  H 2 O. À medida que os elétrons atravessam CTE, liberam energia - capturada e armazenada – ADP + Pi  ATP - fosforilação oxidativa e a energia não capturada é liberada como calor. Homem de 70 Kg gasta 2.800 cal/dia. O organismo possui 50 g de ATP.

--------- = 384 mol ou 190 Kg de ATP/dia 7, II – COMPONENTES DA CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS A – Mitocôndria Mitocôndria - casa de força da célula, pois nesta organela é capturada a maior parte da energia derivada da oxidação respiratória. O sistema com o qual a respi- ração é acoplada, para gerar energia - ATP - fosforilação oxidativa. 1 - Membrana – componentes da CTE estão localizados na membrana interna. A membrana externa contém poros especiais - permeável à maioria dos íons e molécu- las pequenas e a interna - estrutura especializada impermeável à maioria dos íons pequenos - H

, Na

e K

, moléculas pequenas - ATP, ADP, piruvato e metabólitos importantes. Sistemas de transporte movem as moléculas através desta membrana. Membrana interna é rica em proteínas, metade está envolvida no transporte de elé- trons e fosforilação oxidativa e apresenta cristas - aumentam sua superfície. 2 - Matriz da mitocondrial – semelhante a um gel - enzimas de oxidação do piru- vato, ácidos graxos (-oxidação) e ciclo de Krebs. Gliconeogênese e síntese da uréia e heme ocorrem parcialmente na matriz. Contém NAD

e FAD (formas oxida- das das coenzimas requeridas como aceptores de hidrogênio) e ADP e Pi  ATP. 3 – Sistema de transporte através da membrana mitocondrial a – Transporte de ATP-ADP – transportadores especializados - transportador de adenina nucleotídeo - ADP do citosol, exportando ATP da matriz para o citosol. Inibido pela toxina de plantas atractilosídeo - esgotamento do ADP e inibição da produção de ATP. Transportador de fosfato - Pi do citosol até a matriz.

5 – Citocromo oxidase ou citocromo a + a 3 – único transportador de elétrons que possui no ferro heme um ligante livre que reage com o oxigênio molecular. Neste sítio, elétrons transportados, oxigênio molecular e prótons formam H 2 O. Contém átomos de cobre ligados, necessários para a ocorrência desta reação complexa. D – Liberação de energia livre durante o transporte de elétrons Energia livre é liberada à medida que os elétrons são transferidos através da cadeia - doador de elétrons - agente redutor - para um aceptor de elétrons - agen- te oxidante. Elétrons são transferidos como íon hidreto (:H

• ) ao NAD + , átomos de hidrogênio (:H) a FMN, coenzima Q ou elétrons (.e

) aos citocromos. Energia livre padrão (G o ) de hidrólise do fosfato terminal do ATP = 7. cal/mol. Transporte de um par de elétrons do NADH  O 2 - CTE - + 52. cal/mol - 3 ATP a partir de 3ADP + Pi (3 x 7.300 = 21.900 cal). As calorias restantes são liberadas em forma de calor. Transporte do FADH 2 ou FMNH 2  O 2 - 2 ATP. Regulação da velocidade de respiração é controlada pela concentração de ADP - oxidação e fosforilação estão acopladas – oxidação não pode ocorrer sem a fosforilação simultânea de ADP. Energia produzida pela oxidação dos alimentos, torna-se disponível de forma escalonada e controlada, eficiência de 40-45%. E – Inibidores Inibem sítios específicos do transporte de elétrons – impedem a passagem de elétrons ao se ligarem a um componente a cadeia. Transportadores antes do blo- queio estão reduzidos, e aqueles localizados após o bloqueio - oxidados. Rotenona – veneno de peixe, barbitúrico - amital e antibiótico – piericidina A

• inibem a NADH desidrogenase. Antimicina A e dimercrapol– citocromo b. Ci- aneto, H 2 S e CO – citocromo oxidase. Carboxina e TTPA – transferência de elé- trons da succinato desidrogenase para a coenzima Q. Envenenamento por cianeto - inalação de cianeto de hidrogênio ou ingestão de cianeto de potássio – inibe citocromo oxidase – CTE. Veneno mais potente e rápi- do conhecido – liga-se ao Fe 3+ no citocromo a + a 3 – aceptor final de elétrons – respiração celular cessa. Morte – asfixia do tecido - SNC. Nitritos - hemoglobina (Fe 2+ )  meta-hemoglobina (Fe 3+ ) - compete com o citocromo a + a 3 pelo CN

complexo meta-hemoglobina-cianeto. Tiossulfato - tiocianato (SCN

) – rodanase. Lesão por hipoxia – oclusão de uma artéria – infarto do miocárdio  diminui cir- culação sangüínea e oxigenação  transporte de elétrons-fosforilação oxidativa inibidos  queda dos níveis de ATP e fosfocreatina  aumenta a glicólise  dimi- nui nível de glicogênio  aumenta os níveis de ácido láctico  diminui pH celular  níveis iônicos alterados  acúmulo de fosfato de cálcio mitocôndria  edema celular  membranas permeáveis  extravasamento de compostos mitocondriais e enzimas lisossomais – proteases, lipases, glicosidases e fosfatases – digestão auto- lítica dos componentes celulares. Transplante de órgãos.

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA Transferência de elétrons pela cadeia de transporte de elétrons é energeti- camente favorecida - NADH - forte doador de elétrons e O 2 - ávido aceptor de elé- trons. Mas, o fluxo de elétrons do NADH  O 2 não resulta diretamente em síntese de ATP - complexo ATP sintetase – superfície interna da membrana interna. A – Hipótese Quimiosmótica ou de Mitchell Explica como a energia livre gerada pelo transporte de elétrons pela cadeia de transporte é usada para produzir ATP a partir de ADP + Pi. 1 – Bomba de prótons – transporte de elétrons - acoplado ao transporte de pró- tons (H

) da matriz para o espaço intermembrana. Gera um gradiente elétrico (mais cargas positivas no lado de fora) e gradiente de pH (parte externa da membrana pH menor). Energia gerada por este gradiente de próton estimula a síntese de ATP. 2 – Complexo enzimático ATP sintetase (complexo V) – FoF 1 - ATPase - ATP - energia do gradiente de prótons gerado pela CTE. ATPase - enzima isolada - ATP  ADP + Pi. Hipótese quimiosmótica - prótons podem reentrar na matriz por um canal da ATP sintetase - síntese de ATP e dissipa os gradientes de pH e elétrico. C – Defeitos genéticos na fosforilação oxidativa 13 dos 100 polipeptídeos da FO são codificados pelo DNA mitocondrial (DNAmt); restante é sintetizado no citosol e transportado para a mitocôndria. Defeito na FO - alterações no DNAmt - taxa de mutação 10 x maior que o DNA nuclear. Tecidos com grande necessidade de ATP (SNC, músculo cardíaco e esquelético, rins e fígado) - mais afetados. Mutações no DNAmt - casos de miopatias mitocon- driais e neuropatia óptica hereditária de Leber - perda bilateral da visão central é resultado da degeneração neurorretiniana. DNAmt é herdado da mãe - mitocôn- drias das células espermáticas não penetram no ovo fertilizado. D – Inibidores a – Oligomicina – liga-se ao pedículo da ATP sintetase, fecha o canal de H

e im- pede a reentrada de prótons na matriz. Gradientes elétrico e de pH não podem ser dissipados - dificuldade de bombear prótons contra-gradiente – interrompe o trans- porte de elétrons e fosforilação. Rutamicina também inibe. b – Desacopladores – CTE e FO são desacopladas por compostos que aumentam a permeabilidade da membrana interna aos prótons. 2,4 dinitrofenol – transportador de prótons - aumenta a velocidade de transporte de elétrons, não forma um gradi- ente de prótons. Energia produzida não é usada para sintetizar ATP - calor. Doses elevadas - aspirina e outros salicilatos desacoplam a FO - febre que acompanha as superdosagens. Ionóforos – salicilamidas, gramicidina e valinomicina.