Obtenção de Energia

Para manterem-se vivos e desempenhando diversas funções biológicas os organismos necessitam de energia.
Nosso corpo mantem um sistema estável de reações e processos físico-químicos mantidos afastados do equilíbrio e para manter esse estado necessita de energia retirada do ambiente.
Os seres humanos são quimiotróficos o que significa que obtêm energia através da oxidação de compostos.

Oxida: Aumenta o número de ligações com o oxigênio e diminui a quantidade de hidrogênio. Perde elétrons.

Os compostos oxidados pelos seres humanos são carboidratos, lipídios e proteínas.

Quando oxidados perdem prótons e elétrons (H+ + e-) e têm seus átomos de carbonos convertidos a CO2.
Os prótons e os elétrons são recebidos por coenzimas oxidadas que passam assim para a forma reduzida.
A reoxidação das coenzimas acontece com a transferência dos (H+ + e-) para o oxigênio, convertendo-o em água.
A energia derivada dessa oxidação é utilizada para a produção de um composto rico em energia, a adenosina trifosfato (ATP).

É a energia química do ATP que é usada para promover os processos biológicos que consomem energia.
(Processos contra o gradiente natural, termodinamicamente inviáveis, não ocorrem espontaneamente, pois precisam passar de um composto pobre em energia para um muito mais energizado. Possuem Delta G positivo - quando o produto tem mais energia que o reagente).

Os processos de obtenção de energia através da oxidação são:
- Glicólise, tendo o produto final o piruvato que oxidará à acetil-coenzima A (Acetil-CoA).
- Ciclo de Krebs, onde terminará de oxidar completamente a glicose.
- Fosforilação oxidativa e cadeia de elétrons, etapa que ocorre na mitocôndria, onde coenzimas liberam (H+ + e-), (reoxidação das coenzimas - acontece com a transferência dos (H+ + e-) para o oxigênio, convertendo-o em água), onde é fabricada a maior quantidade de ATP de todo o processo.
Essa última etapa também é chamada de cadeia respiratória.

O aminoácido Asparagina pode produzir o oxalacetato.
A leucina, a isoleucina e o triptofano podem produzir acetil-coenzima A (a coenzima A ligada ao grupo Acetila - que possui 2 carbonos).

A proteína tem um importantíssimo papel metabólico pois a partir delas pode-se produzir tanto carboidratos quanto ácidos graxos, mas a partir de cada um deles não se consegue produzir proteínas. (Consegue-se produzir alguns aminoácidos, mas não todos os necessários para a produção de todas as proteínas importantes para o organismo).

Glicólise

A glicose é o principal substrato oxidável.

A etapa inicial da oxidação ocorre no citosol, onde a glicose (C6H12O6) se quebra ao meio produzindo 2 piruvatos (que contêm 3 carbonos cada).

* Produtos: ATP, (H+ + e-) recebidos por uma coenzima NAD+ e piruvato.

- Forma 4 ATP, gastando dois durante o processo. Portanto o saldo é de 2 ATP na glicólise.
- 2 NADH.
- 2 Piruvatos.

A primeira reação da glicólise é a fosforilação da glicose, logo que ela entra na célula, fazendo com que permaneça lá. É uma reação inviável - tem o delta G positivo. Pois a ligação de um fosfato inorgânico em um composto há a necessidade de muita energia.
Nessa primeira reação então só ocorre pela utilização de uma molécula de ATP. Catalizada por uma enzima chamada hexoquinase (transporte de fósforo de um composto é sempre catalizado por quinases)

Forma-se então glicose 6-fosfato. Uma enzima chamada fosfoglicoisomerase transforma o composto em um de seus isômeros, o chamado frutose 6-fosfato.

Uma outra enzima quinase age sobre esse composto, a fosfofrutoquinase 1 e transporta ao composto mais um grupo de fosfato inorgânico formando a frutose 1,6-bisfosfato.

A frutose 1,6-bisfosfato é então quebrada por uma enzima chamada aldolase em duas trioses fosforiladas que são isômeras, a diidroxiacetona fosfato e a gliceraldeído 3-fosfato.
Somente o gliceraldeído 3-fosfato continua a oxidação, mas como são compostos isômeros, existe uma enzima que transforma a diidroxiacetona fosfato em gliceraldeído 3-fosfato, a chamada triose fosfato isomerase.

O gliceraldeído 3-fosfato continua o ciclo da glicólise.
Importante lembrar que a partir daqui todos os produtos serão em dobro, pois da glicose resulta dois gliceraldeídos 3-fosfato.
Ele passa por uma enzima chamada gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase que o oxida através de uma coenzima (o NAD+, transformando-o em NADH + H+). Essa enzima também tem a capacidade de passar ao composto um fosfato inorgânico. Formando então o 1,3-Bisfosfoglicerato.

O 1,3-Bisfosfoglicerato é um composto rico em energia e através da reação catalizada pela enzima fosfoglicerato quinase, fabrica 1 ATP e um composto chamado 3-fosfoglicerato.

O 3-fosfoglicerato passa por uma enzima chamada fosfoglicerato mutase que o transforma em 2-fosfoglicerato.

O 2-fosfoglicerato é desidratado pela enolase liberando H2O e formando o fosfoenolpiruvato.

Fosfoenolpiruvato é um composto rico em energia que possibilita a formação de ATP, com uma reação irreversível espontaneamente, pois há a liberação de energia, formando finalmente o Piruvato (possui menos energia e mesmo com a quantidade alta de piruvato não ocorreria troca do sentido da reação, como ocorre também em todas com o delta G positivo, pois seria necessário o gasto de energia (de ATP) para que ela ocorresse, sendo assim necessária uma via alternativa).
Essa reação é catalizada por uma enzima chamada piruvato quinase.

Fermentação

A glicólise anaeróbica é chamada de fermentação.

A fermentação láctica ocorre nos músculos.

Se houver falta de oxigênio para fazer a reoxidação das coenzimas (NADH de volta a NAD+, pois o oxigênio funciona como aceptor de elétrons), não haverá produção de energia.
Nesse caso a cadeia respiratória pararia sem aceptor para oxidar os NADH e o Ciclo de Krebs também iria parar pela falta de NAD+ para oxidar os compostos.
Mas para que não haja falta total de energia a glicólise continua, através de NAD+ oxidados pela fermentação láctica (nos seres humanos).

As fermentações fazem a regeneração dos NAD+.

São designadas de acordo com o produto final:
- Fermentação láctica forma lactato a partir do piruvato.
- Fermentação alcoólica forma etanol a partir do piruvato.

É um processo muito usado na indústria.


O piruvato é reduzido, reagindo com um NADH + H+, oxidando essa coenzima, reação catalisada pela lactato desidrogenase e formando lactato + NAD+.

Ocorre em células de mamíferos como hemácias e fibras musculares brancas e vermelhas sob contração vigorosa, quando submetido à uma anaerobiose relativa.

Conversão de
Piruvato à Acetil-CoA

Só funciona em condições aeróbicas como todos os processos que serão descritos a baixo, a única exceção foi a glicólise.
O piruvato é transportado do citosol para o interior da mitocôndria por uma permease específica. Deixa de ser aceptor de elétrons do NADH produzido pela glicólise.

Passa por um processo irreversível que consiste basicamente na transferência do grupo acetila (C2), proveniente da descarboxilação (liberação de CO2) do piruvato (C3), para a coenzima A.

Equação geral:

H3C-CO-COO- + HS-CoA + NAD+ -> H3C-CO-SCoA + NADH + CO2.
Piruvato + Coenzima A + Nicotinoamida adenina dinucleotídeo -> Acetil-CoA

Cada piruvato forma um Acetil-CoA + NADH + CO2.

Essa reações ocorre por um processo multienzimático chamado complexo piruvato desidrogenase.

Essa transformação em Acetil-CoA faz a conexão entre a glicólise e o Ciclo de Krebs.
Que começa com a condensação da Acetil-CoA com o Oxalacetato.

Ciclo de Krebs

Começa com a condensação da Acetil-CoA com oxalacetato formando citrato, reação que é catalizada pela citrato sintase. Participando da reação uma molécula de H2O que ajuda na saída da coenzima A, formando o grupo HS-CoA, que vai ser liberado.

O Citrato é isomerizado à isocitrato através da enzima aconitase.

A Isocitrato Desidrogenase promove a oxidação do isocitrato em alfa-cetoglutarato, com consequente redução de um NAD+, ocorrendo liberação de CO2 + NADH + H+.

O Alfa-cetoglutarato é transformado em succinil-CoA através da atuação de uma enzima chamada alfa-cetoglutarato desidrogenase que tem um mecanismo de reação parecido ao do complexo piruvato desidrogenase (transformação de piruvato em acetil-CoA),
pois em ambos os casos há a descarboxilação de um alfa-cetoácido (piruvato ou alfa-cetoglutarato) e ligação do grupo remanescente (acetila ou succinil) à coenzima A, formando uma ligação tioéster (é um composto semelhante a um éster, porém um oxigênio é substituído por um átomo de enxofre), ligação rica em energia. Em ambos os casos há também a participação de TPP, ácido lipóico e FAD; liberam CO2 + NADH + H+.

O succinil-CoA passa por uma enzima chamada succinil-CoA sintetase que consegue aproveitar a energia da ligação da ligação tioéster (que ele rompe liberando o grupo HS-CoA) para sintetizar a ligação anidrido fosfórico em um NDP (nucleosídeo difosfato) + Pi (fosfato inorgânico) para um NTP (nucleosídeo trifosfato). Nucleosídeo porque tanto poderá se formar ATP ou GTP (guanosina trifosfato) dependendo da necessidade da célula. Com a consequente produção de succinato.

O Succinato é oxidado a fumarato pela enzima succinato desidrogenase que possui um grupo prostético FAD que é reduzido a FADH2.
A succinato desidrogenase é a única enzima do ciclo de Krebs que é parte integrante da membrana interna da mitocôndria, as demais estão em forma solúvel na matriz mitocondrial.

O Fumarato é hidratado, recebe H2O, virando malato, reação catalizada pela fumarase.

A malato desidrogenase oxida o malato a oxalacetato, reduzindo um NAD+, liberando NADH + H+ e fechando o ciclo.

O oxalacetato é sempre regenerado ao final de cada volta, fazendo com que as células possam oxidar acetil-CoA continuamente sem gasto efetivo de oxalacetato.

* Produtos do ciclo de Krebs (cada acetil-CoA - como a cada glicose há a produção de dois então multiplica-se por dois os produtos para saber quanto a glicose produz):
- 3 NADH
- 1 ATP (ou GTP)
- 1 FADH2
- 2 CO2

Está em espanhol, mas foi a figura mais didática que eu achei na net.
(por mais que olhando por cima pareça um pouco confuso...)

Assista esse vídeo só depois de já ter estudado a matéria toda...

Cadeia de Transporte de Elétrons
e Fosforilação Oxidativa

A cadeia é formada por 4 Complexos proteicos que estão localizados na membrana interna da mitocôndria.

NADH:
Dois elétrons do NADH são transferidos para o Complexo I, do Complexo I para a coenzima Q que os transporta pela fase lipídica da membrana até o Complexo III.
Depois para o citocromo c que também faz esse transporte pela membrana até o Complexo IV e depois chegando ao oxigênio, fazendo ocorrer fabricação de H2O.

Sempre que esses elétrons passam pelos complexos, eles bombeiam 4 prótons (H+) para o espaço intramembranar (entre a membrana interna e externa).
Forma-se um gradiente de prótons, uma concentração de prótons diferente de cada lado da membrana onde ocorre o transporte de elétrons.
Esses prótons então vão voltar através de uma enzima chamada ATP sintase que transformará energia química em mecânica (que ocorre pela diferença do potencial da matriz que é negativa para o espaço intramembranar que é positivo) conseguindo assim fazer ligações entre ADP + Pi fabricando ATPs.

FADH2:
A succinato desidrogenase é uma enzima também denominada Complexo II.
Os elétrons do FADH2, também 2 elétrons, passam pelos centros ferro-enxofre da enzima e então são encaminhados a coenzima Q para seguirem para o Complexo III a partir daí seguindo o mesmo caminho dos elétrons do NADH.
Os prótons do FADH2 são transferidos de volta a matriz mitocondrial, fazendo com que o Complexo II não participe da formação do gradiente de prótons, pois o Delta G para a transferência de elétrons do succinato à coenzima Q é muito pequeno, liberando pouca energia, que não é suficiente para fazer o bombeamento de prótons.

Numa vertente mais antiga dizia-se que a cada NADH oxidado forma-se 3 ATP e o FADH2 produz 2 ATP, pois "pula"o Complexo I, portanto o gradiente de prótons que ele forma é menor.
Estudos recentes demonstram que a quantidade de prótons bombeados por cada Complexo é diferente, sendo o Complexo I responsável pela produção de 1 ATP, o Complexo III por 0,5 ATP (por não consumir H+ da matriz) e o Complexo IV contribui com mais 1 ATP.
Fazendo assim com que seja produzido pelo NADH 2,5 ATP e pelo FADH2 1,5 ATP.

As proteínas seguem em ordem: Complexo I, II, III, IV e ATP sintase.
Os formatos das enzimas trans-membranares são somente ilustrativos e o Complexo II foi deslocado de sua posição transmembrana somente para maior clareza da figura.