Metabolismo de Carboidratos. Profa.Dra. Leticia Labriola Abril 2012
Oxidação Completa da Glicose C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 6 CO 2 + 6 H 2 O 36-38 ADP + 36-38 P i + 36-38 ATP Via Glicolítica gastou: 1 glicose, 2 ADP, 2 P i, 2 NAD + gerou: 2 ATP, 2 NADH Formação de Acetil-CoA gastou: 2 NAD + gerou: 2 CO 2, 2 NADH Ciclo Ac. Cítrico gastou: 6 NAD +, 2 FAD, 2 GDP, 2 Pi, 2 AcCoA gerou: 4 CO 2, 6 NADH, 2 FADH 2, 2 GTP
Ciclo ATP - ADP Produção de Energia Catabolismo de: Carboidratos Lipídeos Proteínas Utilização de Energia Biossíntese de macromoléculas Contração Muscular Transporte Ativo Termogênese
Utilização da Energia do ATP adenina Adenosina 5 - trifosfato Adenosina 5 - difosfato Trabalho mecânico: contração muscular Trabalho de transporte: gradiente de Na + gerado pela Na + /K + -ATPase Rotas anabólicas: síntese de proteínas, de glicogênio
Uso diário de ATP Coração 16 Cérebro 6 Rins 24 Fígado 6 Músculo esquelético (repouso) 0,3 Músculo esquelético (correndo) 23,6 g ATP/g tecido
ATP - Curiosidades geralmente não é sintetizado de novo sempre obtido por reciclagem de ADP (ATP + ADP permanece constante) quantidade total de ATP + ADP no organismo 100 g indivíduo em repouso 40 kg de ATP em 24 horas esforço vigoroso 0,5 kg/ minuto corrida de 2 h 60 kg de ATP
Carreadores Ativados do Metabolismo 1. Carreador ativado de fosfato ADP / ATP 2. Carreadores ativados de elétrons para a oxidação de alimentos NAD + / NADH FAD / FADH 2 FMN / FMNH 2 3. Carreador ativado de elétrons para biossínteses redutoras NADP + / NADPH 4. Carreador ativado de fragmentos de dois carbonos CoA / Acetil-CoA
CTE Sequência de reações de óxido-redução A oxidação é sempre acompanhada por redução de um aceptor de elétrons Oxidação perda de elétrons Redução ganho de elétrons oxidação semi-reações agente redutor oxidado redução agente oxidante reduzido Na oxidação o agente redutor é oxidado (o agente redutor perde elétrons)
Pares Redox agente redutor oxidação o composto A perde elétrons oxidado agente oxidante Redução o composto B ganha elétrons reduzido Observem que os elétrons passam de A para B
Tipos de Reação de Óxido-Redução Reações onde apenas elétrons são transferidos Citocromo c (Fe 2+ ) + citocrocom a (Fe 3+ ) Citocromo c (Fe 3+ ) + citocrocom a (Fe2 + ) Reações onde são transferidos elétrons e prótons NADH + H + + FAD NAD + + FADH 2
Potencial de Óxido-Redução potencial do eletrodo de hidrogênio padrão: 0,0V a ph 0,0 o par redox 2 H - / H 2 em sistemas biológicos, ph 7,0: -0,42V Variação padrão de energia livre G o ' = - nf. E o ' E o ' = potencial padrão em ph 7,0 n = número de elétrons sendo transferidos F = constante de Faraday, 96,5 kj. V -1. mol -1 Pares redox envolvem transferência de energia livre
Potencial de Óxido-Redução (E 0 ) - Medida da afinidade por elétrons, em Volts NAD + + 2e - NADH E 0 = -0,32V Piruvato + 2e - Lactato E 0 = -0,19V Piruvato + NADH Lactato + NAD + E 0 = 0,13V G 0 = -nf E 0, onde n = número de elétrons F = 23 kcal.v -1.mol -1
Prevendo a direção da transferência de elétrons Potencial de Oxidação-Redução: quanto maior o número, maior a facilidade de receber elétrons (Ex: Oxigênio tem alta capacidade de receber elétrons trata-se de um bom agente oxidante) O par NAD + -NADH tem potencial de -0,32 e o par piruvato-lactato tem potencial de -0,19. Logo, piruvatolactato tem maior afinidade por elétrons e os elétrons fluirão do NADH para o piruvato, gerando lactato, desde que lactato desidrogenase esteja presente Piruvato + NADH Lactato + NAD +
Potencial de Óxido-Redução dos Transportadores da CTE Potencial de Oxidação-Redução E 0 (V) Observem que os complexos estão dispostos em ordem crescente de potencial, para garantir o fluxo unidirecional de elétrons para o oxigênio
Cadeia de Transporte de Elétrons - NADH O 2 - Seqüência de reações de óxido-redução - Componentes da membrana mitocondrial interna NADH Complexo I E 0 = -0,32 E 0 ~ -0,30 Complexo II (FADH 2 ) E 0 = -0,04 E 0 ~ 0,20 E 0 ~ 0,60 CoQ III cit c IV O 2 E 0 = 0,05 E 0 = 0,24 E 0 = 0,82
A Ordem dos Complexos na CTE succinato fumarato Observem que tanto o Complexo I quanto o II transferem elétrons para CoQ O complexo II é a própria succinato desidrogenase do Ciclo de Krebs
O Complexo I
Centros Fe-S e Grupos Heme
O Complexo II
A Coenzima Q (Ubiquinona) Q (Ubiquinona) redução QH 2 (Ubiquinol) Por sua capacidade de transferir elétrons, é usada como antioxidante (suplemento) (estudos comprobatórios em andamento)
O Complexo III
O Citocromo c Pequena proteína contendo um grupo heme (hemeproteína, contendo Fe 3+ /Fe 2+ ), transfere elétrons do complexo III para o citocromo a do Complexo IV. Está frouxamente ligado à membrana externa da mitocôndria. Possui vários resíduos de lisina em sua superfície, o que o permite fazer interação eletrostática com o Complexo III e o IV.
O Complexo IV
A CTE em ação
Gradiente de Prótons Mitocondrial
Gradiente de Prótons Mitocondrial
ATPsintase (ATPase) http://www.sciencemag.org/feature/data/1045705.shl Sambongi et al., 1999, Science 286, 1722-1724
ATPsintase
A CTE em ação citossol membrana mitocondrial externa A concentração de prótons fora da matriz é maior do que dentro, devido ao bombeamento de prótons espaço intermembrana carreadores móveis de elétrons ATP sintase membrana interna matriz elétrons do NADH elétrons do FADH 2 complexos da membrana Transporte de elétrons gera energia para bombear prótons através da membrana, criando um gradiente de concentração Síntese de ATP afunila prótons voltando através da membrana para direcionar a produção de ATP
Lançadeiras = Circuitos = SIV = Shuttle Transferência de equivalentes de redução do citossol para a matriz mitocondrial NAD +, NADH, NADP +, NADPH, FAD, FADH 2 e CoA não são transportados através da membrana interna da mitocôndria. α-glicerol fosfato desidrogenase citossólica Lançadeira de α-glicerol fosfato membrana interna da mitocôndria α-glicerol fosfato desidrogenase mitocondrial (flavoproteína) diidroxiacetona fosfato α-glicerol fosfato Coenzima Q reduzida Coenzima Q oxidada O funcionamento da lançadeira necessita de pares de enzimas citossólica/mitocondrial NADH produzido no citossol (em qualquer reação e quer precisa ser transferido para a matriz mitocondrial) é usado para reduzir diidroxiacetona fosfato em glicerol fosfato pela enzima citossólica. Os elétrons do NADH agora estão no glicerol fosfato e são transferidos para o FAD de uma flavoenzima mitocondrial, que repassa os elétrons para CoQ
transaminase glutâmico-oxalacética citossol Lançadeiras Lançadeira Malato-Aspartato membrana mitocondrial interna matriz mitocondrial transaminase glutâmico-oxalacética malato desidrogenasec malato desidrogenase O funcionamento da lançadeira necessita de pares de enzimas citossólica/mitocondrial O NADH do citossol reduz oxaloacetato a malato, que entra na mitocôndria por um trocador malato/α-cetoglutarato. Este malato é oxidado a oxaloacetato, gerando NADH. O oxaloacetato, via transaminase, é convertido a aspartato, que sai, por um trocador de glutamato. No citossol, a transaminase converte o aspartato em oxaloacetato
Transportadores Mitocondriais citossol piruvato fosfato malato fosfato membrana mitocondrial interna matriz mitocondrial malato citrato glutamato malato aspartato α-cetoglutarato
Transporte de ATP, ADP e Pi
Movimentos Flagelares
Estequiometria?
Geração de Calor pela Mitocôndria - UcP
Regulação da Fosforilação Oxidativa ATP sintase: - gradiente de prótons - concentração de ADP, Pi Gradiente de prótons: - ATPsintase - transporte de elétrons - outros transportadores (UCP, ANT...) Cadeia de transporte de elétrons: - NADH, FADH 2, O 2 - gradiente de prótons
ATP
Inibição do Transporte de Elétrons - Complexo I: - Oftalmopatia hereditária de Leber - Deficiência de riboflavina (B2) - Rotenona (Lonchocarpus ou Derris) - Doença de Parkinson - Complexo II: - Malonato, metilmalonato - Complexo III: - Mutações citocromo b, bc 1 - Antimicina (Rhodobacter) - Complexo IV: - MELAS, MERRF - Deficiência de Cobre, Ferro - CN - e CO
Inibidores Específicos I. Complexo NADH desidrogenase Rotenona Amital II. Complexo succinato desidrogenase Malonato III. Complexo citocromo b-c 1 Antimicina A ATP sintase Oligomicina IV. Complexo citocromo-oxidase Monóxido de carbono Azida sódica Cianeto de potássio Estudar os inibidores utilizando o simulador
Regulação Farmacológica da Fosforilação Oxidativa - Oligomicina: - inibidor da ATPsintase (porção F O ) - produzido por bactérias Streptomyces - não permite entrada de prótons por F O - Atractilosídeo: - inibidor do translocador ADP/ATP - Produzido por Atractylis gummifera
Regulação Farmacológica do Ψ - Dinitrofenol e FCCP: - ionóforos de H + - ácidos fracos, lipofílicos - pílula da dieta
Ganho de Peso e Acoplamento Levine JA, Eberhardt NL, Jensen MD. (1999) Role of nonexercise activity thermogenesis in resistance to fat gain in humans. Science 283:212-214. Jucker BM, Dufour S, Ren J, Cao X, Previs SF, Underhill B, Cadman KS, Shulman GI. (2000) Assessment of mitochondrial energy coupling in vivo by 13C/31P NMR. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 97:6880-6884. Almind K, Manieri M, Sivitz WI, Cinti S, Kahn CR. (2007) Ectopic brown adipose tissue in muscle provides a mechanism for differences in risk of metabolic syndrome in mice. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104:2366-2371. Virtanen KA, Lidell ME, Orava J, Heglind M, Westergren R, Niemi T, Taittonen M, Laine J, Savisto NJ, Enerbäck S, Nuutila P. (2009) Functional brown adipose tissue in healthy adults. N. Engl. J. Med. 360:1518-1525. Cypess AM, Lehman S, Williams G, Tal I, Rodman D, Goldfine AB, Kuo FC, Palmer EL, Tseng YH, Doria A, Kolodny GM, Kahn CR. (2009) Identification and importance of brown adipose tissue in adult humans. N. Engl. J. Med. 360:1509-1517.