A glicólise anaeróbia é o processo pelo qual uma sequência de aproximadamente 11 enzimas do citosol promove transfor mações graduais em uma molécula de glicose, sem consumo de oxigênio, produzindo duas moléculas de piruvato e libe rando energia que é armazenada em duas moléculas de ATP. O ATP se forma a partir do ADP e do fosfato inorgânico (Pi) existentes no citosol, segundo a equação:
2 ADP + 2 Pi + energia da glicose - 2 ATP
Nesse processo, a célula armazena 20 kcal para cada mol de glicose degradada. Essa degradação da glicose não necessita de oxigênio, razão pela qual é chamada de glicólise anaeróbia ou fermentação. No fungo levedo de cerveja, em condições anaeróbias, a glicólise prossegue, transformando-se o piruvato em etanol após uma série de reações enzimáticas. A fermen tação fornece ao levedo de cerveja a energia necessária para sua manutenção e reprodução, sendo chamada fermentação alcoólica, porque o produto final é o álcool etílico.
A glicólise é um processo pouco eficiente, pois, das 690 kcal/ mol presentes na glicose, apenas 20 kcal são aproveitadas e as células desenvolveram, ao longo da evolução, mecanismos mais eficazes para extração da energia dos nutrientes.
• Graças à fosforilação oxidativa, cada mol
de glicose produz mais 36 mols de ATP
Após o surgimento do oxigênio na atmosfera, desenvol veu-se uma nova via metabólica de maior rendimento energé tico do que a glicólise, a fosforilação oxidativa. De cada mol de
glicose, além dos 2 mols de ATP obtidos pela via anaeróbia, a fosforilação oxidativa produz mais 36 mols de ATP.
Na fosforilação oxidativa, o piruvato é oxidado até se for marem água e gás carbônico, com alto rendimento energético. Costuma-se distinguir, na oxidação fosforilativa, três mecanis mos distintos, mas que se entrelaçam intimamente: a produ ção de acetilcoenzima A (acetil-CoA), o ciclo do ácido cítrico
e o sistema transportador de elétrons.
Enquanto a glicólise é anaeróbia e tem lugar no citosol, a fosforilação oxidativa é aeróbia e se processa nas mitocôndrias (Figura 4.2).
•
Produção de acetilcoenzima AA acetil-CoA é produzida a partir da coenzima A e de ace tato originados do piruvato ou da í3-oxidação dos ácidos gra xos. Piruvato, derivado da glicólise, e ácidos graxos atravessam as membranas mitocondriais e, na matriz da organela, geram acetato, que se liga à coenzima A para formar acetil-CoA.
A transformação de piruvato em acetil-CoA deve-se a um sistema multienzimático da matriz mitocondrial, o complexo desidrogenase do piruvato, constituído de cópias múltiplas de três enzimas, cinco coenzimas e duas proteínas reguladoras. Esse complexo converte o piruvato em acetil-CoA, liberando C02, que é eliminado da mitocôndria. A acetil-CoA entra no ciclo do ácido cítrico.
Enzimas presentes nas duas membranas mitocondriais transferem ácidos graxos para a matriz da mitocôndria, na qual eles são degradados por um ciclo de reações denominado í3-oxidação dos ácidos graxos que remove dois átomos de car bono de cada vez, produzindo uma molécula de acetil-CoA em cada volta do ciclo. A acetil-CoA assim gerada também entra no ciclo do ácido cítrico, no qual a oxidação continua.
Enzimas da glicose
l
2 mais de1 mol de glicose
Figura 4.2 • O desenho esquemático mostra que a glicólise ocorre no citosol, en
quanto a produção de acetilcoenzima A e a oxidação fosforilativa se processam nas mitocôndrias. A maior produção de ATP ocorre na mitocôndria, em razão da oxidação dos substratos oriundos dos nutrientes, com consumo de oxigênio e formação de água e C02 (respiração aeróbia) contrastando com a glicólise (respiração anaeróbia), que não consome oxigênio e produz pouco ATP.
Biologia Celular e Molecular
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Ciclo do ácido cítricoEsse ciclo, também chamado de ciclo de Krebs ou ciclo dos ácidos tricarboxílicos, é uma sequência cíclica de reações enzi máticas na qual ocorre, graças à presença das enzimas chama das desidrogenases, a produção gradual de elétrons e prótons. Os elétrons são captados por moléculas complexas como o NAD (nicotinamida-adenina-dinucleotídio), o FAD (flavina adenina dinucleotídio) e os cito cromos, que funcionam como transportadores de elétrons, em um processo de oxidorredu ção. O hidrogênio, resultante das reações, é liberado na matriz mitocondrial, sob a forma de prótons (H+).
O ciclo do ácido cítrico se origina com a condensação da acetil-CoA, proveniente de piruvato ou de ácidos graxos, com ácido oxalacético, produzindo ácido cítrico. Este sofre uma série de modificações e acaba produzindo ácido oxalacético, que, por sua vez, recomeça o ciclo.
O resultado final do ciclo do ácido cítrico é o seguinte: gra ças às desidrogenases, ocorre a produção de hidrogênio, que irá gerar prótons e elétrons. Descarboxilases levam à produ ção de C02, e no processo há uma reação exoenergética que promove a síntese de 2 mols de ATP por mol de glicose consu mida (Figura 4.3). A função principal do ciclo do ácido cítrico é, portanto, produzir elétrons com alta energia e prótons, gerando C02; seu rendimento energético é baixo.
Além dessas funções, o ciclo do ácido cítrico fornece meta bólitos que serão usados para a síntese de aminoácidos e hidratos de carbono.
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Sistema transportador de elétronsÉ uma cadeia, formada por enzimas e compostos não enzi máticos, cuja função é transportar elétrons. Dentre esses trans portadores de elétrons estão os citocromos, compostos orgâ nicos ricos em ferro. Ao longo dessa cadeia, são transportados elétrons de alta energia que, gradualmente, cedem essa ener gia, que é veiculada para três lugares determinados da cadeia, em que ocorre a síntese de ATP. Esse processo é eficiente e produz 36 mols de ATP por mol de glicose consumida.
Há, ao longo da cadeia de oxidação fosforilativa, três locais nos quais a energia liberada pela oxidação é gradualmente transferida para o ATP graças à fosforilação do ADP. Nesses locais da cadeia, ocorre o acoplamento da liberação de energia, com o seu armazenamento por fosforilação. Existem molé culas tóxicas, como o dinitrofenol, que desacoplam essa trans ferência de energia, bloqueando a síntese de ATP e dissipando a energia sob a forma de calor.
Ao chegarem ao fim do sistema transportador, os elétrons ati vam moléculas de oxigênio, produzindo
o -
graças a um sistema enzimático, chamado citocromo-oxidase. Esse oxigênio com um elétron a mais combina-se com os prótons, produzindo água (Figura 4.3). A citocromo-oxidase é fortemente inibida pelo cia neto, razão pela qual esse composto é um tóxico muito forte.Portanto, a respiração celular aeróbia produz C02, H20 e energia (calor) segundo a equação global:
C6H1206 + 602 "'7 6C02 + 6Hz0 + energia
Como na mitocôndria o consumo de oxigênio está relacio nado com a fosforilação de ADP, o processo recebeu o nome
4 1 Papel das Mitocôndrias na Transformação e no Armazenamento de Energia
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de oxidação fosforilativa. O ADP é transferido do citosol para a mitocôndria, na qual é transformado em ATP, que passa para o citosol, no qual exercerá suas funções como combustí vel celular. Existe, portanto, um fluxo constante de ADP para dentro e ATP para fora da mitocôndria.
Do ponto de vista de rendimento energético, a mitocôn dria é muito mais eficiente do que os motores construídos pelo homem. Calcula-se que, aproximadamente, a metade da ener gia liberada dos nutrientes é armazenada pelas mitocôndrias em moléculas de ATP; os outros 50% são dissipados sob forma
de calor, que é utilizado para aquecer o corpo.
• Frequentemente, as mitocôndrias
situam-se em locais próximos aos
que necessitam de energia (ATP)
As mitocôndrias (mitos, filamento, e condria, partícula) são organelas de forma arredondada ou alongada presentes no
citoplasma das células eucariontes, que participam da respira ção aeróbia e de diversas outras funções.
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1 mol de glicose � Glicólise cadeia de enzimas 2 piruvatos Ácidos graxos �-oxidação Acetilcoenzima A.-
e-Ciclo doEssas organelas apresentam um diâmetro aproximado de 0,5 a 1,0 µm, variando o comprimento desde 0,5 até 10 µm. São mais numerosas nas células com metabolismo energético alto, como as células musculares estriadas. Em muitas células, as mitocôndrias se distribuem por todo o citoplasma, mudando constantemente de posição pela atividade das proteínas moto ras do citoesqueleto. Contudo, em determinadas células elas se localizam próximo aos locais citoplasmáticos, onde existe grande consumo de energia. Nos epitélios ciliados, elas se acumulam perto dos cílios; nos espermatozoides, ao redor da porção inicial do flagelo, onde tem início a movimentação flagelar; e, nas células musculares estriadas, entre os feixes de miofibrilas (Figura 4.4). Outros exemplos são os acúmulos de mitocôndrias encontrados nas células sensoriais da retina (Figura 4.5) e nas células que transportam íons, como é o caso das células dos túbulos contorcidos renais (Figura 4.6).
A concentração de mitocôndrias nas células transportado ras de íons está associada a abundantes dobras da membrana plasmática, o que aumenta consideravelmente a área por onde tem lugar o transporte iônico. Nessas regiões, as membranas são ricas em ATPase, enzima que libera a energia que será uti lizada pelas bombas iônicas aí presentes.
Membrana mitocondrial
Cadeia transportadora de elétrons (cadeia de enzimas e pigmentos citocromos)
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e· ácido cítrico .-e- � cadeia de enzimas j, \ e- � Ql C/l C1;l -o ·x o Q ...- 0 a- H • • • /.,..., H+ Desidrogenases � H• H· \ 36 ATP e- H., F.t.., � H'" H.;. Ff+ H� H•2H+Q-l
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Figura 4.3 • Ilustração dos principais processos que ocorrem na respiração celular aeróbia. A linha azul indica os limites de uma mitocôndria. Inicialmente, ocorre a pro dução de acetilcoenzima A, que entra no ciclo do ácido cítrico, do qual resulta a produção de elétrons, prótons, C02 e pequena quantidade de ATP. Os elétrons percorrem
a cadeia transportadora de elétrons e produzem muito ATP. Os prótons combinam-se com o oxigênio, ativado pelo sistema citocromo-oxidase, produzindo água. Observe que, no cítosol, 1 mol de glicose produz 2 mols de ATP, permanecendo muita energia nas moléculas de píruvato. Esse piruvato entra na mitocôndria, em que a energia res ;:ante do mol inicial de glicose é transferida para cerca de 38 mais de ATP. Portanto, a mitocôndria aumenta muito a capacidade celular de aproveitar a energia contida nos nutrientes. Observe, ainda, a entrada de oxigênio e ADP (adenosina-difosfato) na mitocôndria. O desenho não mostra, mas a mitocôndria necessita também de Pí (fosfato
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