Ciclo do ácido cítrico e fosforilação oxidativa

Segue mais um resumo de Lehninger (Bioquímica Básica) e Taiz e Zeiger (Fisiologia Vegetal).

A respiração celular é toda via do catabolismo que permite a degradação de compostos orgânicos, ocorre em 3 estágios: glicólise, ciclo do ácido cítrico e cadeia transportadora de elétrons. Invertase e sacarose sintase transformam a sacarose (forma de açúcar transportado a longas distâncias na planta) em glicose ou frutose 6-fosfato para entrar na glicólise e ser transformada em piruvato. Outra forma de açúcar, o que é armazenado em diversos órgãos, o amido, também pode ser hidrolisado pra ser transformado em glicose.

Planta em ambiente anóxico, faz primeiramente fermentação láctica, até que haja oxigenação dos tecidos, caso isso persista por mais tempo, ela passa a fazer fermentação alcoólica. Em ambiente aeróbico, o destino do piruvato produzido na glicólise é sofrer uma descarboxilação oxidativa catalisada pela piruvato desidrogenase, na matriz mitocondrial. Mas como esse piruvato vai entrar na mitocôndria para ser degradado por essa via? Ele é transportado para dentro das duas membranas por meio de um transportador específico (do tipo antiporte – sai OH- e entra piruvato). Essa enzima, na verdade é um complexo multienzimático, que é encontrado no interior da mitocôndria. A piruvato desidrogenase está sujeita a um elevado controle, com dois níveis de regulação: a) controle alostérico através da inibição pelo produto, exercido por NADH e acetil-CoA; b) modificação covalente reversível da subunidade E1 da enzima, por fosforilação/desfosforilação.

Piruvato + CoA + NAD+ → Acetil-CoA + NADH + CO2

O piruvato também pode ser produzido pela descarboxilação do malato por meio da enzima málica. O contrário também pode ocorrer. Isso é importante para plantas CAM e para a gliconeogênese na produção do piruvato. A acetil-CoA produzida entra no ciclo do ácido cítrico para ser oxidada, também chamado de ciclo de Krebs, conforme a seguinte reação geral:

Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O→ 2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + CoA + 2 H+

 O ciclo de Krebs compreende 8 reações, envolvendo 8 enzimas e 8 ácidos carboxílicos, di e tri-ácidos, todos dispersos na matriz da mitocôndria. Então, começa no piruvato e passa pela acetil-CoA, ocorre oxidação completa desses metabolitos liberando 3CO2. Os agentes oxidantes em todas as reações são NAD+ e FAD e as formas reduzidas destas co-enzimas (NADH + FADH2), resultantes do processo, só são reoxidadas na cadeia respiratória, que acontece na membrana interna da mitocôndria e vão servir para a produção de ATP pela fosforilação oxidativa. 

Esse ciclo do ácido cítrico não é apenas uma via catabólica, vários intermediários servem para vias de síntese de aminoácidos, lipídeos e glicose, ou seja, serve também para a via anabólica, por isso ser classificado como anfibólico. Para que ele faça isso, as concentrações dos intermediários são mantidas e controladas através de um sistema de reações auxiliares, conhecidas como reações anapleróticas por exemplo, a carboxilação de piruvato até oxaloacetato, catalisada pela enzima piruvato carboxilase.

As enzimas citrato sintase, isocitrato desidrogenase e  α-cetoglutarato desidrogenase são as reguladoras do fluxo metabólico através do ciclo de Krebs e estão sujeitas a controle alostérico, envolvendo NADH como inibidor e Ca+ e ADP como ativadores.

Já a fosforilação oxidativa é o processo bioquímico pelo qual a oxidação de NADH e FADH2, produzidos na glicólise e ciclo do ácido cítrico, ocorre acoplada à produção de ATP, a partir de ADP + Pi. Este processo se dá na cadeia respiratória ou cadeia de transporte de elétrons, que compreende um conjunto ordenado de enzimas e transportadores de elétrons inseridos na membrana interna da mitocôndria.

Essa cadeia respiratória contem 4 complexos,  I,II, III  e IV,  ordenados por ordem crescente de potencial redox, indo do potencial padrão de NAD+/NADH ao do O2/H2O. Os elétrons são transferidos do complexo I ou II para o complexo III pela coenzima Q (ubiquinona), e do complexo III para o complexo IV pelo citocromo C para chegar ao O2.

NADH e FADH2 cedem elétrons, respectivamente, aos complexos I e II. A transferência exergônica de elétrons do nível redox de NADH para o de O2 envolve uma diferença de energia livre liberada que é em parte retida pelo transporte de H+ do lado interno para o externo da membrana, criando o gradiente eletroquímico de prótons que permitirá “empurrar” o processo endergônico de fosforilação de ADP por Pi para gerar ATP, através da bomba de prótons que constitui a ATP sintase. Ela é separada fisicamente da cadeia de transporte de elétrons.

A transferência de 2 elétrons de NADH até O2 gera um aumento no gradiente de prótons suficiente para mover a ATP sintase, permitindo a produção de 3 moles de ATP. Nestas condições, a ATP sintase trabalha com uma eficiência termodinâmica igual a 42%. Mas vale ressaltar que quando os 2 elétrons saem do nível redox de FADH2, são formados apenas 2ATP.

A grande quantidade de energia livre que seria dissipada na oxidação completa da glicose a CO2 e H2O [C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O; ∆G0’= -2823 kJ/mol] é aproveitada para produção de ATP, graças quase exclusivamente ao processo de fosforilação oxidativa, rendendo 38ATP por mol de glicose (incluindo neste total 2ATP da glicólise e 2 do ciclo de Krebs).

Vários mecanismos da cadeia de transporte de elétrons e de seu acoplamento à síntese de ATP foram elucidados através da utilização de inibidores e desacopladores, entre os quais estão: 

−  Rotenona e amital inibem a redução dos complexo I e III por NADH.

−  Antimicina A inibe o transporte de elétrons no complexo II.

−  Cianeto inibe o transporte no complexo IV.

−  DNP é desacoplador, pois promove o “vazamento“ de H+ ,levando à dissipação do gradiente de prótons e contínuo transporte de elétrons, desacoplado da síntese de ATP.

A síntese de ATP a partir de ADP e Pi na mitocôndria, que é catalisada pela ATP sintase, é dirigida pelo processo de transporte de elétrons. Mas como a ATP sintase é fisicamente separada das proteínas do transporte de elétrons, a energia livre liberada no transporte de elétrons deve ser conservada em uma forma que possa ser utilizada pela ATP sintase. A energia livre do transporte de elétrons é conservada pelo bombeamento de H+ da matriz mitocondrial para o espaço entre membranas, criando um gradiente de H+. A volta dos prótons ao interior da mitocôndria é termodinamicamente favorável. A membrana interna da mitocôndria é impermeável a prótons em toda sua extensão, exceto na ATP sintase, e é então por este canal que os prótons atravessam a membrana, de volta à matriz mitocondrial. A variação de energia livre associada ao transporte de um próton através da membrana interna da mitocôndria pode ser determinada através de medidas da diferença de pH e do potencial de membrana estabelecidos em mitocôndrias consumindo oxigênio.

Posted in: