Metabolismo de Carboidratos. Profa.Dra. Leticia Labriola Abril 2012
Oxidação Completa da Glicose C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 36-38ADP + 36-38 P i 6CO 2 + 6H 2 O + 36-38ATP Via glicolítica gastou: 1 glicose, 2 ADP, 2 P i, 2 NAD + gerou: 2 ATP, 2 NADH, 2 Pyr Falta: Usar Pyr Formação de AcCoA e Krebs Reciclar NADH Transporte de elétrons Gerar CO 2 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 Glicose estágio 1 produção de Acetil-CoA A Respiração Celular ocorre em 3 estágios piruvato glicólise 1 nutrientes são oxidados e geram Acetil-CoA (Glicólise, β-oxidação e oxidação de aminoácidos) coenzimas são reduzidas oxaloacetato Acetil-CoA ciclo de Krebs citrato estágio 2 oxidação de Acetil-CoA 2 Acetil-CoA é oxidado a CO 2 no Ciclo de Krebs coenzimas são reduzidas 3 Coenzimas são oxidadas, transferindo os e - para O 2, formando água e armazenando a energia envolvida na forma de ATP, na Cadeia Respiratória (Cadeia de Transporte de e - + Fosforilação Oxidativa transportadores de e - estágio 3 transferência de e - e fosf. oxidativa cadeia respiratória
Coenzima A (CoA) grupo reativo tiol adenina β-mercaptoetilamina ácido pantonênico ribose 3 - fosfato Acetil-CoA 3 -fosfoadenosina difosfato 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 CO 2 do piruvato, gerando o grupo acetil que se liga à coenzima A (CoA), formando Acetil-CoA piruvato desidrogenase Piruvato Complexo Multienzimático Acetil-CoA 3 enzimas (PDH) 5 coenzimas piruvato desidrogenase diidrolipoil transacetilase diidrolipoil desidrogenase
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 + ) riboflavina (B2) niacina (B3)/nicotinamida Diidrolipoil transacetilase (E2) ácido lipóico 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 Ca 2+ e Mg 2+ 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 C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 36-38ADP + 36-38 P i 6CO 2 + 6H 2 O + 36-38ATP Via glicolítica gastou: 1 glicose, 2 ADP, 2 P i, 2 NAD + gerou: 2 ATP, 2 NADH, 2 Pyr Form. de Acetil-CoA gastou: 2 NAD +, 2 Pyr gerou: 2 CO 2, 2 NADH, 2 AcCoA
Reação Global - Ciclo de Krebs Acetil-CoA + 3NAD + + FAD + GDP + P i 2CO 2 + 3NADH + FADH 2 + GTP + CoA GTP + ADP nucleosídeo difosfato quinase GDP + ATP
Regulação do Ciclo de Krebs Acetil-CoA + OxAc - NADH, ATP +ADP citrato sintase CoASH Citrato Isocitrato - NADH, ATP +ADP isocitrato desidrogenase α cetoglutarato NAD + NADH α cetoglutarato - NADH, ATP α cetoglutarato desidrogenase Succinil-CoA CoASH NAD + NADH CO 2
Regulação do Ciclo de Krebs + Ca 2+, Mg 2+ malato * oxaloacetato piruvato * Acetil-CoA - (piruvato desidrogenase) ATP, Acetil-CoA, NADH - ATP citrato (citrato sintase) cis-aconitato ATP aumenta o K M da citrato sintase para acetil- CoA * fumarato * succinato Etapas que requerem coenzima oxidada (NAD+ ou FAD) Succinil CoA isocitrato - ATP * + ADP, Ca 2+ α-cetoglutarato * + Ca 2+ - Succinil-CoA NADH, GTP, ATP (isocitrato desidrogenase) (α-cetoglutarato desidrogenase)
Regulação do Ciclo de Krebs NADH, ATP +ADP +ADP NADH, ATP NADH, ATP ATP
Regulação Integrada Frutose 6P + AMP - citrato (+ insulina no fígado) Fosfofrutoquinase 2 ATP ADP Frutose 2,6 P Frutose 2,6 P Pi 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 (enzima málica) citrato Ciclo de Krebs Geração de Energia Fonte de carbono para processos citossólicos biossintéticos, como ácidos graxos e esteróides (fonte de acetil-coa) Regulador de outras etapas metabólicas (-) fosfofrutoquinase (+) Acetil-CoA carboxilase * *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
CO 2 NADH Piruvato NAD + CoA -ATP, NADH, Acetil-CoA +AMP, NAD + Piruvato desidrogenase Acetil-CoA Oxaloacetato Citrato sintase - NADH, ATP +ADP Citrato ATP
Regulação do Ciclo de Krebs NADH, ATP +ADP +ADP NADH, ATP NADH, ATP ATP
Piruvato NAD + CoA -ATP, NADH, Acetil-CoA +AMP, NAD + Piruvato desidrogenase Piruvato carboxilase (biotina) +Acetil-CoA CO 2 ATP CO 2 NADH Acetil-CoA ADP + P i Oxaloacetato Citrato sintase - NADH, ATP +ADP Citrato ATP
Piruvato NAD + CoA -ATP, NADH, Acetil-CoA +AMP, NAD + Piruvato desidrogenase glucagon Piruvato carboxilase (biotina) +Acetil-CoA CO 2 ATP CO 2 NADH Acetil-CoA lipídeos ADP + P i Oxaloacetato Citrato sintase - NADH, ATP +ADP Citrato
Inibição do Ciclo de Krebs por Falta de Oxaloacetato (jejum, fígado, gliconeogênese) proteólise PIRUVATO glicólise β-oxidação intensa FOSFOENOLPIRUVATO OXALOACETATO MALATO (malato desidrogenase citoplasmática) GLICOSE AMINOÁCIDOS NADH NAD + OXALOACETATO MALATO ACETIL CoA CITRATO cetogênese (recicla CoA) Esta oxidação gera NADH citossólico que é transferido para a matriz mitocondrial por lançadeiras específicas O excesso de NADH da β- oxidação desloca o equilíbrio em direção ao malato citossol mitocôndria SUCCINIL CoA PORFIRINAS (grupo heme) α-cetoglutarato AMINOÁCIDOS
Piruvato NAD + CoA -ATP, NADH, Acetil-CoA +AMP, NAD + Piruvato desidrogenase Piruvato carboxilase (biotina) +Acetil-CoA CO 2 ATP CO 2 NADH Acetil-CoA ADP + P i Oxaloacetato Citrato sintase - NADH, ATP +ADP Citrato 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 FADH 2 (falta de coenzimas oxidadas NAD +, FAD) Envenenamentos O Arsênico na forma de sais de arsenito (AsO 3 3-) 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: LD 50 = 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.