Princípios de bioquímica metabólica

  Olá a todos, hoje eu trago alguns princípios de bioquímica metabólica:

 A bioquímica metabólica é a área da bioquímica responsável pelo estudo do metabolismo, que corresponde ao conjunto de reações químicas que acontecem nas células/nos organismos vivos. Os seres vivos possuem biomoléculas que participam da estrutura e dos processos bioquímicos dos organismos, são elas:

• Biomoléculas inorgânicas: água, sais minerais;
• Biomoléculas orgânicas: lipídios, carboidratos, proteínas, enzimas (podem necessitar de cofatores, como íons metálicos ou coenzimas), ácidos nucleicos e vitaminas.

 O metabolismo é a soma de todas as transformações químicas que ocorrem em uma célula ou em um organismo, ocorre por meio de uma série de reações catalisadas por enzimas que constituem as vias metabólicas. Cada uma das etapas consecutivas em uma via metabólica produz uma pequena alteração química específica, em geral a remoção, a transferência ou a adição de um átomo particular ou um grupo funcional. O precursor é convertido em um produto por meio de uma série de intermediários metabólicos chamados de metabólitos. O termo metabolismo intermediário frequentemente é aplicado às atividades combinadas de todas as vias metabólicas que interconvertem precursores, metabólitos e produtos de baixo peso molecular (em geral, Mr < 1.000).

O catabolismo é a fase de degradação do metabolismo, na qual moléculas nutrientes orgânicas (carboidratos, gorduras e proteínas) são convertidas em produtos finais menores e mais simples (como ácido láctico, CO2 e NH3). As vias catabólicas liberam energia, e parte dessa energia é conservada na forma de ATP e de transportadores de elétrons reduzidos (NADH, NADPH e FADH2); o restante

é perdido como calor. 

 No anabolismo, também chamado de biossíntese, precursores pequenos e simples formam moléculas maiores e mais complexas, incluindo lipídeos, polissacarídeos, proteínas e ácidos nucleicos. As reações anabólicas necessitam de fornecimento de energia, geralmente na forma de potencial de transferência do grupo fosforil do ATP e do poder redutor de NADH, NADPH e FADH2.

 As rotas ou vias metabólicas explicam a sequência de reações que levam de um metabólito a outro. Por exemplo, a glicólise realiza a degradação/quebra da glicose em duas moléculas menores de piruvato - é uma via linear. Algumas vias metabólicas são lineares e algumas são ramificadas, gerando múltiplos produtos finais úteis a partir de um único precursor ou convertendo vários precursores em um único produto. Em geral, as vias catabólicas são convergentes e as vias anabólicas são divergentes. Algumas vias são cíclicas: um composto inicial da via é regenerado em uma série de reações que converte outro componente inicial em um produto. As rotas ou vias podem ser lineares, espirais, circulares, cíclicas, convergentes e divergentes.

 Em 1891, o bioquímico alemão Albrecht Kossel descreveu um grupo de moléculas diferentes das moléculas do metabolismo primário e a estas, chamou de metabolismo secundário. Para muitos autores, as moléculas do metabolismo secundário não são essenciais para o crescimento vegetativo de seu produtor e sua ausência não restringe diretamente a vida de um organismo. Assim, o metabolismo primário, vital ou essencial envolve reações comuns à maioria das células, como a quebra de glicose (glicólise), recorrente nos organismos porque evolutivamente eles possuem ancestral comum. Enquanto o metabolismo secundário ou especial tem relação com a especialização dos organismos, como é o caso das substâncias espécie-específicas (apenas uma dada espécie produz uma dada substância). Contudo, alguns autores consideram que certos produtos do metabolismo secundário são vitais para o organismo que os produz, por exemplo, os neurotransmissores, que seriam produtos vitais do metabolismo secundário.

Muitas substâncias do metabolismo primário são desviadas para o secundário, por exemplo, a glicose e os aminoácidos. Vale destacar que todas as vias metabólicas estão direta ou indiretamente correlacionadas. Em eucariotos, em função das organelas membranosas com lúmen à parte do citoplasma, ocorre compartimentalização das vias metabólicas, ou seja, há lugares específicos em que ocorrem reações específicas.

 

 Em contraste aos metabólitos, existem os xenobióticos, compostos químicos estranhos a um organismo ou sistema biológico, que não são esperados sua ocorrência ali. Por exemplo, o etanol é um xenobiótico para o organismo humano, sendo o fígado o principal órgão metabolizador dessa substância: o etanol é convertido em acetaldeído pela enzima álcool desidrogenase presente no citoplasma dos hepatócitos do fígado, nas mitocôndrias a enzima aldeído desidrogenase converte o acetaldeído em acetato (ácido acético). O acetato é convertido em acetil-CoA posteriormente, com o passar da idade há uma tendência em converter o acetil-CoA em gordura.

 O ATP (adenosina trifosfato) é a conexão química entre catabolismo e anabolismo. Ele é a moeda energética das células vivas. A conversão exergônica (reação espontânea que pode ocorrer sem adição de energia) de ATP em ADP e Pi, ou em AMP e PPi, está acoplada a muitas reações e processos endergônicos, ou sejam desfavoráveis termodinamicamente e não espontâneos.

 

 A hidrólise direta de ATP é a fonte de energia em alguns processos impulsionados por mudanças conformacionais, mas em geral não é a hidrólise de ATP e sim a transferência de um grupo fosforil, pirofosforil ou adenilil do ATP a um substrato ou a uma enzima que acopla a energia da quebra do ATP às transformações endergônicas de substratos. O ATP é moeda energética, porque a variação total da energia livre da quebra do ATP é negativa, ou seja, a reação é exotérmica.

 As células contêm outros metabólitos com energia livre de hidrólise elevada e negativa, incluindo fosfoenolpiruvato (PEP), 1,3-bifosfoglicerato e fosfocreatina. Esses compostos de alta energia, como o ATP, possuem elevado potencial de transferência de grupos fosforil. Os tioésteres também possuem elevada energia livre de hidrólise. O polifosfato inorgânico, presente em todas as células, pode atuar como um reservatório de grupos fosforil com elevado potencial de transferência de grupos.

 

 Como dito anteriormente, cofatores como coenzimas e íons metálicos são substâncias coadjuvantes no processo de catálise como auxiliares de enzimas. Um exemplo importante de coenzima é a acetil-coenzima A (acetil-CoA), um metabólito central do metabolismo, por ser um tioéster, a acetil-CoA é suscetível ao processo de hidrólise (acetil-CoA -> acetil + CoA) e libera bastante energia em função da ligação com enxofre. A acetil-CoA é a força motriz do ciclo de Krebs.

 Na prática, as reações químicas metabólicas só ocorrem graças às enzimas, no sítio ativo ou sítio catalítico o substrato é convertido em produto. Entretanto, elas precisam ser reguladas, geralmente isso ocorre através do sítio alostérico - enzimas alostéricas exibem cooperatividade e/ou regulação por ligação de substâncias químicas específicas.

VIA GLICOLÍTICA OU GLICÓLISE - saldo: 2 ATP e 2 NADH

*Lembre-se que NAD+ é a forma oxidada e NADH a forma reduzida, FAD é a forma oxidada e FADH₂ é a forma reduzida. O aumento de oxigênio/diminuição de hidrogênio indica oxidação, já a diminuição de oxigênio/aumento de hidrogênio indica a redução.

 É a obtenção de energia através de açúcares, principalmente hexoses (frutose, galactose, manose, glicose). As pentoses geralmente estão relacionadas a funções estruturais. A glicólise é uma via catabólica quase universal pela qual uma molécula de glicose com 6 carbonos é oxidada a duas moléculas de piruvato cada uma com 3 carbonos, com energia conservada na forma de ATP e NADH. Apesar de ser uma via oxidativa, a glicólise não utiliza oxigênio molecular (O₂).

 As 10 enzimas glicolíticas estão no citosol, e os 10 intermediários são compostos fosforilados de três ou seis carbonos. Na fase preparatória da glicólise, ATP é consumido para a conversão de glicose em frutose-1,6-bifosfato. A ligação entre C-3 e C-4 é então clivada para gerar duas moléculas de triose-fosfato (gliceraldeído-3-fosfato nada mais são do que trioses-fosfato). Na fase de pagamento, cada uma das duas moléculas de gliceraldeído-3-fosfato derivada da glicose sofre oxidação em C-1; a energia dessa reação de oxidação é conservada na forma de um NADH e dois ATP, por triose-fosfato oxidada. 

Fase preparatória:

• A glicose é inicialmente fosforilada no grupo hidroxil ligado ao C-6 (etapa ➊);
• A D-glicose-6-fosfato assim formada é convertida a D-frutose-6-fosfato (etapa ➋);
• A qual é novamente fosforilada, desta vez em C-1, para formar D-frutose-1,6-bifosfato (etapa ➌). Nas duas reações de fosforilação, o ATP é o doador de grupos fosforil. Como todos os açúcares formados na glicólise são isômeros D, omite-se a designação D, exceto quando o objetivo é enfatizar sua estereoquímica;
• A frutose-1,6-bifosfato é dividida em duas moléculas de três carbonos, a di-hidroxiacetona-fosfato e o gliceraldeído-3-fosfato (etapa ➍); essa é a etapa de “lise” que dá nome à via. A di-hidroxiacetona-fosfato é isomerizada a uma segunda molécula de gliceraldeído-3-fosfato (etapa ➎), finalizando a primeira fase da glicólise. Note que duas moléculas de ATP são consumidas antes da clivagem da glicose em duas partes de três carbonos; haverá depois um bom retorno para esse investimento;
• Resumindo: na fase preparatória da glicólise, a energia do ATP é consumida, aumentando o conteúdo de energia livre dos intermediários, e as cadeias de carbono de todas as hexoses metabolizadas são convertidas a um produto comum, o gliceraldeído-3-fosfato. O ganho de energia provém da fase de pagamento da glicólise.

Fase compensatória

• Cada molécula de gliceradeído-3-fosfato é oxidada e fosforilada por fosfato inorgânico (não por ATP) para formar 1,3-bifosfoglicerato (etapa ➏);
• Ocorre liberação de energia quando as duas moléculas de 1,3-bi-fosfoglicerato são convertidas a duas moléculas de piruvato (etapas ➐ a ➓). Grande parte dessa energia é conservada pela fosforilação acoplada de quatro moléculas de ADP a ATP. O rendimento líquido são duas moléculas de ATP por molécula de glicose utilizada, já que duas moléculas de ATP foram consumidas na fase preparatória. A energia também é conservada na fase de pagamento com a formação de duas moléculas do transportador de elétrons NADH por molécula de glicose. Também ocorre a liberação de duas moléculas de água.

VIAS ALIMENTADORAS DA GLICÓLISE

• O glicogênio e o amido endógenos, as formas de armazenamento da glicose, entram na glicólise em um processo de duas etapas. A clivagem fosforolítica de um resíduo de glicose de uma extremidade do polímero, formando glicose-1-fosfato, é catalisada pela glicogênio-fosforilase ou pela amido-fosforilase. A fosfoglicomutase então converte a glicose-1-fosfato em glicose-6-fosfato, que pode entrar na glicólise;
• Os polissacarídeos e os dissacarídeos ingeridos são convertidos a monossacarídeos por enzimas hidrolíticas intestinais, e os monossacarídeos então entram nas células intestinais e são transportados para o fígado ou para outros tecidos;
• Várias D-hexoses, incluindo a frutose, a galactose e a manose, podem entrar na glicólise. Cada uma delas é fosforilada e convertida a glicose-6-fosfato, frutose-6-fosfato ou frutose-1-fosfato;
• A conversão de galactose-1-fosfato a glicose-1-fosfato envolve dois derivados nucleotídicos: UDP-galactose (uridina difosfato galactose) e UDP-glicose (uridina difosfato glicose). Defeitos genéticos em qualquer das três enzimas que catalisam a conversão de galactose em glicose-1-fosfato resultam em galactosemias de severidade variada.

DESTINOS DO PIRUVATO

1. Em condições aeróbias, o piruvato entrará na respiração celular: o piruvato é oxidado, com a perda de seu grupo carboxil na forma de CO₂, para gerar o grupo acetil da acetil-coenzima A (descarboxilação oxidativa do piruvato); o grupo acetil é então completamente oxidado a CO₂ no ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs). Os elétrons originados dessas oxidações são transferidos ao O₂ por uma cadeia de transportadores na mitocôndria, formando H₂O. A energia liberada nas reações de transferência de elétrons impulsiona a síntese de ATP na mitocôndria durante a fosforilação oxidativa - processo catabólico;
2. Em condições anaeróbias, fermentação alcoólica com a produção de etanol (álcool etílico) - processo catabólico;
3. Em condições anaeróbias, fermentação lática com a produção de lactato (ácido lático) - processo catabólico;
4. Em condições anaeróbias, fermentação acética com a produção de acetato (ácido acético) - processo catabólico;
5. Síntese de ácidos graxos - processo anabólico;
6. Síntese do aminoácido alanina - processo anabólico.

FERMENTAÇÃO

 Fermentação é um termo geral para a degradação anaeróbia da glicose ou de outros nutrientes orgânicos para obtenção de energia, conservada como ATP, sem oxidação (ausência de O₂).

 A fermentação láctica ou lática ocorre, por exemplo, em hemácias (não possuem mitocôndrias) e músculos em condições de estresse físico (onde ocorre hipoxia, ou seja, baixa pressão de oxigênio), em que NADH não pode ser reoxidado a NAD+, mas NAD+ é necessário como aceptor de elétron para a oxidação do piruvato. Sob essas condições, o piruvato é reduzido a lactato pela enzima lactato desidrogenase, recebendo os elétrons do NADH, dessa forma regenerando o NAD+ necessário para continuar a glicólise.

 A fermentação etanólica ou alcoólica ocorre, por exemplo, em leveduras em condições anaeróbias. etanol. Em alguns tecidos vegetais e em certos invertebrados, protistas e microrganismos como levedura da fabricação da cerveja e do pão, o piruvato é convertido, em hipoxia ou condições anaeróbias, em etanol e CO₂.

 A piruvato descarboxilase retira uma carboxila na forma de CO₂ (perda de carbono) - ao contrário da via glicolítica, que tem conservação de carbono. Nesse tipo de fermentação, há presença de TPP (tiamina pirofosfato), uma coenzima derivada da vitamina B1, e Mg2+, cofator inorgânico.

 Na produção do etanol, há liberação de CO₂, para cada unidade de sacarose utilizada no processo são liberadas 4 moléculas de CO₂ no ambiente (e isso antes do etanol ser utilizado como combustível) - a sacarose é hidrolisada em frutose (com 6 carbonos) e glicose (com 6 carbonos), a partir delas obtêm-se 4 piruvatos (cada um com 3 carbonos), com o início da fermentação têm-se 4 acetaldeídos (cada um com 2 carbonos) e 4 moléculas de CO₂ são liberadas, por fim gera-se 4 moléculas de etanol. A fermentação lática não libera CO₂.

 Costuma-se dizer que na prática, durante a fermentação alcoólica, o acetaldeído não retorna para piruvato já que o CO₂ é liberado no ambiente.

 A fermentação acética transforma o acetaldeído em ácido acético. O vinho com muitos anos vira vinagre, pois com o tempo o etanol evapora e o açúcar ali presente gera crescimento microbiano que pode realizar fermentação acética (glicose -> piruvato -> acetaldeído -> ácido acético) ou então o etanol é convertido em acetaldeído e posteriormente em ácido acético.

 Aqui estão alguns microrganismos que realizam fermentação por ação de enzimas microbianas:

• Acetobactérias: fermentação acética;
• Lactobacilos: fermentação lática;
• Leveduras anaeróbias facultativas: fermentação alcoólica.

VIA GLICONEOGÊNICA OU GLICONEOGÊNESE - gasta: 4 ATP, 2 GTP e 2NADH

 

 Em mamíferos, o suprimento de glicose a partir dos estoques dos músculos e do fígado não é sempre suficiente; entre as refeições e durante períodos de jejum mais longos, ou após exercício vigoroso, o glicogênio se esgota. Para esses períodos, os organismos precisam de um método para sintetizar glicose a partir de precursores que não são carboidratos. Isso é realizado por uma via chamada de gliconeogênese (“nova formação de açúcar”), de lactato, piruvato ou oxaloacetato, ou qualquer composto (incluindo os intermediários do ciclo do ácido cítrico) que possa ser convertido a um desses intermediários - os precursores importantes da glicose em animais são compostos de três carbonos como o lactato, o piruvato e o glicerol, assim como certos aminoácidos. Após exercícios vigorosos, o lactato produzido pela glicólise anaeróbia no músculo esquelético retorna para o fígado e é convertido a glicose, que volta para os músculos e é convertida a glicogênio (ciclo de Cori).

A gliconeogênese é uma via anabólica essencialmente citosólica que ocorre em todos os animais, vegetais, fungos e microrganismos. Em mamíferos, o fígado é o principal órgão responsável pela gliconeogênese, ela também ocorre no córtex renal e nas células epiteliais que revestem internamente o intestino delgado. 

 A gliconeogênese e a glicólise não são vias idênticas correndo em direções opostas, embora compartilhem várias etapas. Três das dez etapas da glicólise são irreversíveis, então a gliconeogênese não utiliza as seguintes enzimas da glicólise que catalisam reações irreversíveis:

1. A conversão de glicose em glicose-6-fosfato pela hexocinase;
2. A fosforilação da frutose-6-fosfato em frutose-1,6-bifosfato pela fosfofrutocinase-1;
3. A conversão de fosfoenolpiruvato em piruvato pela piruvato-cinase.

 As três etapas irreversíveis da glicólise são contornadas por reações catalisadas pelas enzimas gliconeogênicas:

1. A conversão de piruvato em fosfoenolpiruvato (PEP) via oxaloacetato, catalisada pela piruvato-carboxilase e pela PEP-carboxicinase; 
2. A desfosforilação da frutose-1,6-bifosfato pela frutose-1,6-bifosfatase-1; 
3. A desfosforilação da glicose-6-fosfato pela glicose-6-fosfatase.

 Em mamíferos, a gliconeogênese no fígado, nos rins e no intestino delgado gera glicose para uso pelo cérebro, músculos e eritrócitos. A piruvato-carboxilase é estimulada por acetil-CoA, aumentando a taxa da gliconeogênese quando as células dispõem do fornecimento adequado de outros substratos (ácidos graxos) para a produção de energia. Os animais não conseguem converter acetil-CoA, derivado dos ácidos graxos, em glicose; vegetais e microrganismos, sim.

METABOLISMO DO GLICOGÊNIO

 Nos organismos, desde as bactérias até as plantas e os vertebrados, o excesso de glicose é convertido em formas poliméricas de armazenamento – glicogênio nos vertebrados (principalmente no fígado e nos músculos esqueléticos) e em muitos microrganismos, amido nas plantas.

 Os grânulos de glicogênio são agregados complexos de glicogênio mais as enzimas que os sintetizam e os degradam, assim como a maquinaria de regulação dessas enzimas. Os mecanismos gerais de armazenamento e mobilização do glicogênio são os mesmos no músculo e no fígado, mas as

enzimas diferem em aspectos sutis, mas importantes, que refletem os papéis diferentes do glicogênio nesses dois tecidos. O glicogênio também é obtido da dieta e degradado no intestino, e isso envolve um conjunto separado de enzimas hidrolíticas que convertem glicogênio em glicose livre (o amido da dieta é hidrolisado de forma semelhante). A presente discussão se inicia com a degradação do glicogênio em glicose-1-fosfato (glicogenólise) e em seguida aborda a sua síntese (glicogênese).

GLICOGENÓLISE

É a degradação enzimática do glicogênio armazenado (não proveniente da dieta) - via catabólica. No músculo esquelético e no fígado, as unidades de glicose das ramificações externas do glicogênio entram na via glicolítica pela ação de três enzimas:

1. Glicogênio-fosforilase: catalisa a reação na qual uma ligação glicosídica (α1->4) entre dois resíduos de glicose em uma extremidade não redutora do glicogênio é atacada por um fosfato inorgânico (Pi), removendo o resíduo terminal na forma de a-D-glicose-1-fosfato - fosforólise é a clivagem de um composto com fosfato inorgânico como nucleófilo (espécie negativamente carregada; ataque nucleofílico) - fosforila sem gasto de ATP;
2. Enzima de desramificação do glicogênio (oligo (α1->6) a (α1->4) glican-transferase): catalisa duas reações sucessivas que removem as ramificações: transfere as ramificações para as cadeias principais (atividade transferase) e libera o resíduo da ramificação (α1->6) como glicose livre (atividade glicosidase). Logo que as ramificações são removidas e o resíduo glicosil na posição C-6 é hidrolisado, a atividade da glicogênio-fosforilase pode continuar;
3. Fosfoglicomutase: a glicose-1-fosfato, o produto final da reação da glicogênio-fosforilase, é convertida em glicose-6-fosfato pela fosfoglicomutase, que catalisa a reação reversível. Ganha-se uma etapa da via glicolítica, basta isomerizar (3 ATPs de saldo, nesse caso).

 A glicose-6-fosfato formada no músculo esquelético a partir do glicogênio pode entrar na glicólise e serve como fonte de energia para a contração muscular. No fígado, a degradação do glicogênio serve a um propósito diferente: liberar glicose para o sangue quando o nível de glicose sanguínea diminui, como acontece entre as refeições. Isso requer a presença da enzima glicose-6-fosfatase no fígado e no rim, mas não em outros tecidos.

GLICOGÊNESE

 É uma via anabólica de conversão da glicose em glicogênio, iniciada nos hepatócitos e miócitos pela glicogenina (proteína que catalisa a polimerização dos primeiros resíduos de glicose). A extensão da polimerização é continuada pela glicogênio-sintase. A enzima de ramificação do glicogênio (também chamada de amilo-[1->4]-[1->6]-transglicosilase, ou glicosil-[4->6]-transferase) forma um novo ponto de ramificação durante a síntese do glicogênio.

 

 O nucleotídeo de açúcar UDP-glicose (uridina difosfato glicose) doa resíduos de glicose para a extremidade não redutora do glicogênio na reação catalisada pela glicogênio-sintase. Uma enzima de ramificação distinta produz as ligações (a1->6) nos pontos de ramificação. Novas partículas de glicogênio se iniciam com a formação autocatalítica de uma ligação glicosídica entre a glicose da UDP-glicose e um resíduo de Tyr na proteína glicogenina, seguida pela adição de vários resíduos de glicose para formar um iniciador que pode sofrer os efeitos da glicogênio-sintase - a glicogenina é o iniciador, sobre o qual são montadas novas cadeias, e a enzima que catalisa essa montagem.

VIA DAS PENTOSES-FOSFATO

 É uma via citosólica tipicamente anabólica, através da oxidação da glicose-6-fosfato tem-se a construção de pentoses-fosfato que irão constituir coenzimas, nucleotídeos etc. A via oxidativa das pentoses-fosfato (via do fosfogliconato ou via da hexose-monofosfato) realiza a oxidação e a descarboxilação da glicose-6-fosfato em C-1, reduzindo NADP+ em NADPH e produzindo as pentoses-fosfato. A entrada de glicose-6-fosfato na via glicolítica ou na via das pentoses-fosfato é basicamente determinada pelas concentrações relativas de NADP+ e NADPH.

 O NADPH fornece a força redutora para as reações biossintéticas, e a ribose-5-fosfato é um precursor para a síntese de nucleotídeos, coenzimas e ácidos nucleicos. Tecidos em crescimento rápido e tecidos realizando biossíntese ativa de ácidos graxos, colesterol ou hormônios esteroides enviam mais glicose-6-fosfato para a via das pentoses-fosfato do que os tecidos com menor demanda por pentoses-fosfato e poder redutor. 

 A primeira fase da via das pentoses-fosfato consiste em duas oxidações, que convertem glicose-6-fosfato a ribulose-5-fosfato e reduzem NADP+ a NADPH. 

1.  A primeira reação da via das pentoses-fosfato é a oxidação da glicose-6-fosfato pela glicose-6-fosfato-desidrogenase (G6PD) para formar 6-fosfoglicona-δ-lactona, um éster intramolecular. NADP+ (forma oxidada) é o aceptor de elétrons, e o equilíbrio global está muito deslocado no sentido da formação de NADPH (forma reduzida). Esse NADPH pode ser utilizado para produzir glutationa em sua forma oxidada, GSSG (glutationa dissulfeto), por ação da glutationa redutase, uma molécula de GSSG gera duas de GSH (glutationa reduzida), importante defesa antioxidante que agirá como espécie de oxidação de sacrifício, se oxidando no lugar de outras espécies químicas através do sequestro de radicais livres e espécies reativas de oxigênio (EROs) - outras importantes defesas antioxidantes: vitaminas C, sequestra radicais livres e EROs em meio aquoso, e vitamina E, sequestra radicais livres e EROs em meio lipídico;
2. A lactona é hidrolisada ao ácido livre 6-fosfogliconato por uma lactonase específica, que sofre oxidação e descarboxilação pela 6-fosfogliconato-desidrogenase para formar a cetopentose ribulose-5-fosfato - há liberação de CO₂; a reação gera uma segunda molécula de NADPH (essa ribulose-5-fosfato é importante na regulação da glicólise e da gliconeogênese). Essa segunda molécula de NADPH pode ser utilizada para a biossíntese redutora de lipídios (ácidos graxos e esteroides), construindo fosfolipídios de membrana e colesterol que confere fluidez à membrana, participa da biossíntese de vitamina D e também constitui os hormônios esteroides;
3. A fosfopentose-isomerase converte a ribulose-5-fosfato ao seu isômero aldose, ribose-5-fosfato. 

 A segunda fase compreende etapas não oxidativas que convertem pentoses-fosfato a glicose-6-fosfato, que inicia o ciclo novamente. Na segunda fase, a transcetolase (com TPP como cofator) e a transaldolase catalisam a interconversão de açúcares de três, quatro, cinco, seis e sete átomos de carbono, com a conversão reversível de seis pentoses-fosfato a cinco hexoses-fosfato. Nas reações de fixação de carbono da fotossíntese, as mesmas enzimas catalisam o processo inverso, a via redutora das pentoses-fosfato: a conversão de cinco hexoses-fosfato a seis pentoses-fosfato.

 

  *Observação: são esteroides de membrana:

• Colesterol em animais;
• Estigmasterol e sitosterol em plantas;
• Ergosterol em fungos e alguns protozoários.

RESPIRAÇÃO CELULAR

 Algumas células obtêm energia (ATP) pela fermentação, degradando a glicose na ausência de oxigênio. Para a maioria das células eucarióticas e muitas bactérias, que vivem em condições aeróbias e oxidam os combustíveis orgânicos a dióxido de carbono e água, a glicólise é apenas a primeira etapa para

a oxidação completa da glicose. Em vez de ser reduzido a lactato, etanol ou algum outro produto da fermentação, o piruvato produzido pela glicólise é posteriormente oxidado a H₂O e CO₂. Essa fase aeróbia do catabolismo é chamada de respiração. No sentido fisiológico ou macroscópico mais amplo, respiração alude à captação de O₂ e eliminação de CO₂ por organismos multicelulares. Bioquímicos e biólogos celulares, entretanto, utilizam esse termo em um sentido mais estrito para referirem-se ao processo molecular por meio do qual as células consomem O₂ e produzem CO₂ – processo mais precisamente denominado respiração celular.

 A respiração celular acontece em três estágios principais:

1.  No primeiro, moléculas combustíveis orgânicas – glicose, ácidos graxos e alguns aminoácidos –são oxidadas para produzirem fragmentos de dois carbonos, na forma do grupo acetil da acetil-coenzima A (acetil-CoA). O piruvato (com 3 carbonos) é convertido pelo complexo piruvato-desidrogenase em acetil Co-A (com 2 carbonos) ocorrendo a liberação de 1 CO₂ - descarboxilação oxidativa do piruvato;
2. No segundo estágio, os grupos acetil entram no ciclo do ácido cítrico (anfibólico: catabólico e anabólico), que os oxida enzimaticamente a CO₂ ; a energia liberada é conservada nos transportadores de elétrons reduzidos NADH e FADH2;
3. No terceiro estágio da respiração, estas coenzimas reduzidas são oxidadas, doando prótons (H+) e elétrons. Os elétrons são transferidos ao O₂ – o aceptor final de elétrons – por meio de uma cadeia de moléculas transportadoras de elétrons, conhecida como cadeia respiratória. No curso da transferência de elétrons, a grande quantidade de energia liberada é conservada na forma de ATP, por um processo chamado de fosforilação oxidativa.

 Dos 3 carbonos constituintes do piruvato, um é perdido na forma de CO₂ durante a descarboxilação oxidativa do piruvato e outros dois são perdidos também como CO₂ durante o ciclo de Krebs.

 A respiração é mais complexa do que a glicólise e acredita-se que tenha evoluído muito mais tardiamente, após o surgimento das cianobactérias. As atividades metabólicas das cianobactérias são responsáveis pelo aumento dos níveis de oxigênio na atmosfera terrestre, um momento decisivo na história evolutiva.

1) Respiração celular: descarboxilação oxidativa do piruvato

 A reação geral catalisada pelo complexo da piruvato-desidrogenase é uma descarboxilação oxidativa, um processo de oxidação irreversível no qual o grupo carboxil é removido do piruvato na forma de uma molécula de CO₂, e os dois carbonos remanescentes são convertidos ao grupo acetil da acetil-CoA. O NADH formado nessa reação doa um íon hidreto (H-1) para a cadeia respiratória, que transferirá os dois elétrons ao oxigênio ou, em microrganismos anaeróbios, a um aceptor de elétrons alternativo, como nitrato ou sulfato. A transferência de elétrons do NADH ao oxigênio gera, ao final, 2,5 moléculas de ATP por par de elétrons. 

 O complexo da PDH é composto por múltiplas cópias de três enzimas: piruvato-desidrogenase, E1 (ligada ao cofator TPP - pirofosfato de tiamina); di-hidrolipoil-transacetilase, E2 (covalentemente ligada ao grupo lipoil); e di-hidrolipoil-desidrogenase, E3 (com os cofatores FAD e NAD).

2) Respiração celular: oxidação da acetil-CoA/ciclo de Krebs/ciclo do ácido cítrico

 Agora serão focalizados os processos por meio dos quais a acetil-CoA é oxidada. Essa transformação química é realizada pelo ciclo do ácido cítrico, a primeira via cíclica descoberta. 

 O ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs, ciclo do ácido tricarboxílico [TCA]) é uma via catabólica central e praticamente universal por meio da qual os compostos derivados da degradação de carboidratos, gorduras e proteínas são oxidados a CO₂, com a maior parte da energia da oxidação temporariamente armazenada nos transportadores de elétrons FADH2 e NADH. Durante

o metabolismo aeróbio, esses elétrons são transferidos ao O₂, e a energia do fluxo de elétrons é capturada na forma de ATP.

 A acetil-CoA entra no ciclo do ácido cítrico (na mitocôndria de eucariotos, no citosol em bactérias) quando a citrato-sintase catalisa sua condensação com o oxaloacetato para a formação de citrato.

 Em sete reações sequenciais, incluindo duas descarboxilações, o ciclo do ácido cítrico converte citrato a oxaloacetato e libera dois CO₂. A via é cíclica, de modo que os intermediários não são exauridos; para cada oxaloacetato consumido na via, um é produzido.

 Para cada acetil-CoA oxidada pelo ciclo do ácido cítrico, o ganho de energia consiste em três moléculas de NADH, uma de FADH2 e um nucleosídeo trifosfatado (ATP ou GTP). Além da acetil-CoA, qualquer composto que origine um intermediário do ciclo do ácido cítrico com quatro ou cinco carbonos – por exemplo, os produtos da degradação de muitos aminoácidos – podem ser oxidados pelo ciclo. 

 

 As coenzimas NADH e NAD+ são solúveis na matriz mitocondrial, diferentemente de FAD e FADH2 (grupos prostéticos). A acetil-CoA entra no ciclo oxidativo liberando espécies redutoras no decorrer dele (NADH e FADH2) em função das quatro desidrogenases presentes no ciclo. Os carbonos do grupo acetil da acetil-CoA são liberados durante a transformação de isocitrato a α-cetoglutarato e durante a conversão de α-cetoglutarato a succinil-CoA na forma de CO₂ (oxidada).

 

 Em organismos aeróbios, o ciclo do ácido cítrico é uma via anfibólica, ou seja, que serve a processos catabólicos e anabólicos. Além do papel no catabolismo oxidativo de carboidratos, ácidos graxos e aminoácidos, o ciclo fornece precursores para muitas vias de biossíntese. Conforme os intermediários do ciclo do ácido cítrico são removidos para servirem como precursores na biossíntese, eles são repostos por reações anapleróticas.

Quando os intermediários são desviados do ciclo do ácido cítrico para outras vias, eles são repostos por algumas reações anapleróticas, que produzem intermediários de quatro carbonos por meio da carboxilação de compostos de três carbonos; essas reações são catalisadas por piruvato-carboxilase, PEP-carboxicinase, PEP-carboxilase e enzima málica. Enzimas que catalisam carboxilações comumente utilizam a biotina para ativar o CO₂ e transportá-lo a aceptores, como piruvato ou fosfoenolpiruvato.

 Certos organismos anaeróbios carecem de α-cetoglutarato-desidrogenase e, portanto, não podem efetuar o ciclo do ácido cítrico completo: α-cetoglutarato e succinil-CoA são precursores em diversas vias biossintéticas. 

 A velocidade global do ciclo do ácido cítrico é controlada pela taxa de conversão do piruvato a acetil-CoA e pelo fluxo pelas enzimas citrato-sintase, isocitrato-desidrogenase e α-cetoglutarato-desidrogenase. Esses fluxos são determinados pelas concentrações dos substratos e dos produtos: os produtos finais ATP e NADH são inibidores, e os substratos NAD+ e ADP são estimuladores.

 A produção de acetil-CoA para o ciclo do ácido cítrico pelo complexo da PDH é inibida alostericamente pelos metabólitos que sinalizam a suficiência de energia metabólica (ATP, acetil-CoA, NADH e ácidos graxos), sendo estimulada pelos metabólitos que indicam um suprimento de energia reduzido (AMP, NAD+, CoA). Os complexos formados por enzimas em sequência em uma via possibilitam a canalização do substrato entre essas enzimas.

3) Respiração celular: transferência de elétrons (cadeia respiratória) acoplada à fosforilação oxidativa

 A fosforilação oxidativa começa com a entrada de elétrons na cadeia de carregadores de elétrons, chamada de cadeia respiratória. A maioria desses elétrons surge da ação das desidrogenases, que coletam elétrons das vias catabólicas e os canalizam para aceptores universais de elétrons – nu-

cleotídeos de nicotinamida (NAD+ ou NADP+) ou nucleotídeos de flavina (FMN ou FAD).

 Em mitocôndrias, íons hidreto (H-1) removidos de substratos (como α-cetoglutarato e malato) por desidrogenases ligadas ao NAD+ doam elétrons para a cadeia respiratória (transportadora de elétrons), que transfere os elétrons para o O₂ molecular, reduzindo-o a H₂O. 

 Além do NAD e das flavoproteínas, outros três tipos de moléculas carregadoras de elétrons funcionam na cadeia respiratória: uma quinona hidrofóbica (ubiquinona ou coenzima Q ou coenzima Q10) e dois tipos diferentes de proteínas que contêm ferro (citocromos e proteínas ferro-enxofre). A ubiquinona em sua forma reduzida chama-se ubiquinol (QH2) ou semiquinona (QH).

 Os carregadores de elétrons da cadeia respiratória são organizados em quatro complexos supramoleculares inseridos dentro da membrana mitocondrial interna, podendo ser fisicamente separados por detergentes. Cada um capaz de catalisar a transferência de elétrons por uma porção da cadeia:

1. Complexo enzimático I: NADH: ubiquinona-oxidorredutase ou NADH-desidrogenase;
2. Complexo enzimático II: succinato-desidrogenase;
3. Complexo enzimático III: complexo de citocromo bc1 ou ubiquinona: citocromo c-oxidorredutase;
4. Complexo enzimático IV: citocromo-oxidase.

 Os complexos I e II catalisam a transferência de elétrons para a ubiquinona a partir de dois doadores de elétrons diferentes: NADH (complexo I) e succinato (complexo II). O complexo III carrega elétrons da ubiquinona reduzida para o citocromo c, e o complexo IV completa a sequência, transferindo elétrons do citocromo c para o O₂.

 Equivalentes redutores do NADH são passados por uma série de centros de Fe-S até a ubiquinona, que transfere os elétrons ao citocromo b, o primeiro carregador do complexo III. Nesse complexo, os elétrons seguem duas vias separadas por meio de dois citocromos do tipo b e do citocromo c1 para um centro de Fe-S. O centro de Fe-S passa elétrons, um de cada vez, pelo citocromo c para o complexo IV, a citocromo-oxidase. Essa enzima, que, além de conter cobre, também contém citocromos a e a3, acumula elétrons e então os passa ao O₂, reduzindo-o a H₂O.

 Alguns elétrons entram nesta cadeia de carregadores por vias alternativas. O succinato é oxidado pela succinato-desidrogenase (complexo II), que contém uma flavoproteína que passa elétrons por vários centros de Fe-S até a ubiquinona. Elétrons derivados da oxidação de ácidos graxos passam para a ubiquinona por meio da flavoproteína transferidora de elétrons.

 Espécies reativas de oxigênio (EROs) potencialmente danosas produzidas nas mitocôndrias são inativadas por um conjunto de enzimas protetoras, incluindo a superóxido-dismutase e a glutationa-peroxidase. Plantas, fungos e eucariotos unicelulares têm, além da via típica para a transferência de elétrons, sensível ao cianeto, uma via de oxidação de NADH alternativa, resistente ao cianeto.

 O fluxo de elétrons pelos complexos I, III e IV resulta no bombeamento de prótons através da membrana mitocondrial interna, tornando a matriz alcalina em relação ao espaço intermembrana. Esse gradiente de prótons fornece a energia (na forma de força próton-motriz) para a síntese de ATP a partir de ADP e Pi pela ATP-sintase (complexo F0F1) na membrana interna.

  A ATP-sintase realiza a “catálise rotacional”, onde o fluxo de prótons por F0 faz cada um dos três sítios de ligação de nucleotídeos em F1 variar entre as conformações (ADP+Pi)-ligado, ATP-ligado e vazia.

  A formação de ATP na enzima requer pouca energia; o papel da força próton-motriz é deslocar o ATP de seu sítio de ligação na sintase. 

 A razão entre ATP sintetizado por 1⁄2O₂ reduzido e H₂O (a razão P/O) é de cerca de 2,5 quando os elétrons entram na cadeia respiratória no complexo I, e 1,5 quando os elétrons entram na ubiquinona. Essa razão pode variar um pouco em diferentes organismos com base no número de subunidades c do complexo F0.

  A energia conservada em um gradiente de prótons pode propiciar o transporte de solutos contra o gradiente através da membrana. 

 A membrana mitocondrial interna é impermeável a NADH e NAD+, mas equivalentes de NADH são movidos do citosol para a matriz por duas lançadeiras. Equivalentes de NADH deslocados para dentro pela lançadeira do malato-aspartato entram na cadeia respiratória no complexo I e produzem uma razão P/O de 2,5; aqueles movimentados para dentro pela lançadeira do glicerol-3-fosfato entram na ubiquinona e geram uma razão P/O de 1,5.

 As concentrações de ATP e ADP estabelecem a velocidade de transporte de elétrons pela cadeia respiratória, por uma série de controles interconectados sobre a respiração, a glicólise e o ciclo do ácido cítrico. A fosforilação oxidativa é regulada pelas demandas energéticas celulares. A [ADP] intracelular e a razão massa-ação [ATP]/([ADP][Pi]) são medidas do estado energético de uma célula.

Referências

NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 6. ed. São Paulo: Artmed, 2014. 

Metabólitos Secundários: importância para humanidade. In: Ciências Sob Tendas - Universidade Federal Fluminense. Disponível em: <http://cienciassobtendas.sites.uff.br/2022/04/18/metabolitos-secundarios-importancia-para-humanidade/>. Acesso em: 24 out. 2023.

ATP. In: Laboratório de Biodiversidade e Evolução Molecular - ICB UFMG. Disponível em: <https://labs.icb.ufmg.br/lbcd/prodabi4/grupos/grupo1/hidroliseatp.htm>. Acesso em: 24 out. 2023.