Bioquímica

Ciclo do ácido cítrico: o que é, fases – resumo

Ciclo do ácido cítrico: o que é, fases – resumo
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Nas células eucarióticas, as moléculas de piruvato produzidas no final da glicólise são transportadas para as mitocôndrias, que são locais de respiração celular. Se oxigênio estiver disponível, a respiração aeróbica irá para frente. Em mitocôndrias, piruvato vai ser transformado num grupo de acetilo de dois carbonos (por remoção de uma molécula de dióxido de carbono) que vai ser apanhada por um composto portador chamado coenzima A (CoA), que é feita a partir de vitamina B 5 . O composto resultante é chamado acetil CoA. ( Figura ) O acetil-CoA pode ser usado de várias maneiras pela célula, mas sua principal função é fornecer o grupo acetila derivado do piruvato para a próxima via no catabolismo da glicose.

Um gráfico mostra o piruvato se tornando um grupo acetila de dois carbonos removendo uma molécula de dióxido de carbono. O grupo acetilo de dois carbonos é recolhido pela coenzima A para se tornar acetil CoA. O acetil-CoA entra então no ciclo do ácido cítrico. Três NADH, um FADH2, um ATP e duas moléculas de dióxido de carbono são produzidos durante este ciclo.
O piruvato é convertido em acetil-CoA antes de entrar no ciclo do ácido cítrico.

Como a conversão de piruvato em acetil CoA, o ciclo do ácido cítrico em células eucarióticas ocorre na matriz das mitocôndrias. Ao contrário da glicólise, o ciclo do ácido cítrico é um ciclo fechado: a última parte da via regenera o composto usado na primeira etapa.

Os oito passos do ciclo são uma série de reações químicas que produzem duas moléculas de dióxido de carbono, uma molécula de ATP (ou um equivalente) e formas reduzidas (NADH e FADH 2 ) de NAD + e FAD + , importantes coenzimas na célula. Parte disso é considerada uma via aeróbica (requer oxigênio) porque o NADH e FADH 2produzidos devem transferir seus elétrons para o próximo caminho no sistema, que usará oxigênio. Se o oxigênio não estiver presente, essa transferência não ocorrerá.

Dois átomos de carbono entram no ciclo do ácido cítrico de cada grupo acetil. Duas moléculas de dióxido de carbono são liberadas a cada volta do ciclo; no entanto, estes não contêm os mesmos átomos de carbono contribuídos pelo grupo acetil nessa curva da via. Os dois átomos de carbono-acetil serão eventualmente libertados em voltas posteriores do ciclo. Dessa forma, todos os seis átomos de carbono da molécula de glicose original serão eventualmente liberados como dióxido de carbono.

São necessárias duas voltas do ciclo para processar o equivalente a uma molécula de glicose. Cada volta do ciclo forma três moléculas NADH de alta energia e uma FADH 2 de alta energia .molécula. Esses portadores de alta energia se conectarão com a última porção de respiração aeróbica para produzir moléculas de ATP. Um ATP (ou um equivalente) também é feito em cada ciclo. Vários dos compostos intermediários no ciclo do ácido cítrico podem ser usados ​​na síntese de aminoácidos não essenciais; Portanto, o ciclo é anabólico e catabólico.

Veja também:

Fosforilação oxidativa

Você acabou de ler sobre duas vias no catabolismo da glicose – a glicólise e o ciclo do ácido cítrico – que geram o ATP. A maior parte do ATP gerado durante o catabolismo aeróbico da glicose, no entanto, não é gerada diretamente a partir dessas vias. Pelo contrário, deriva de um processo que começa com a passagem de elétrons através de uma série de reações químicas até um aceptor de elétrons final, o oxigênio.

Estas reações ocorrem em complexos proteicos especializados localizados na membrana interna das mitocôndrias de organismos eucarióticos e na parte interna da membrana celular de organismos procariotas. A energia dos elétrons é coletada e usada para gerar um gradiente eletroquímico através da membrana mitocondrial interna. A energia potencial deste gradiente é usada para gerar ATP. A totalidade deste processo é chamada fosforilação oxidativa .

A cadeia de transporte de elétrons ( Figura a ) é o último componente da respiração aeróbica e é a única parte do metabolismo que usa o oxigênio atmosférico. O oxigênio se difunde continuamente em plantas para esse propósito. Nos animais, o oxigênio entra no corpo através do sistema respiratório. O transporte de elétrons é uma série de reações químicas que se assemelham a uma brigada de balde em que os elétrons passam rapidamente de um componente para o próximo, para o ponto final da cadeia, onde o oxigênio é o receptor final de elétrons e a água é produzida.

Existem quatro complexos compostos de proteínas, identificadas de I a IV na Figura c , e a agregação desses quatro complexos, juntamente com os portadores de elétrons acessórios móveis associados, é chamada de cadeia de transporte de elétrons.. A cadeia de transporte de elétrons está presente em múltiplas cópias na membrana mitocondrial interna de eucariotos e na membrana plasmática de procariontes.

Em cada transferência de um elétron através da cadeia de transporte de elétrons, o elétron perde energia, mas com algumas transferências, a energia é armazenada como energia potencial usando-a para bombear íons de hidrogênio através da membrana mitocondrial interna para o espaço intermembranoso, criando um gradiente eletroquímico .

CONEXÃO VISUAL
Parte a: Esta ilustração mostra a cadeia de transporte de elétrons embutida na membrana mitocondrial interna. A cadeia de transporte de elétrons consiste em quatro complexos de elétrons. O complexo I oxida NADH para NAD + e simultaneamente bombeia um próton através da membrana para o espaço intermembranar. Os dois elétrons liberados do NADH são transportados para a coenzima Q, depois para o complexo III, para o citocromo c, para o complexo IV e depois para o oxigênio molecular. No processo, mais dois prótons são bombeados através da membrana para o espaço intermembranar, e o oxigênio molecular é reduzido para formar água. O complexo II remove dois elétrons do FADH2, formando assim o FAD. Os elétrons são transportados para a coenzima Q, depois para o complexo III, citocromo c, complexo I e oxigênio molecular, como no caso da oxidação de NADH. Parte b: Esta ilustração mostra uma enzima ATP sintase incorporada na membrana mitocondrial interna. A ATP sintase permite que os prótons se movam de uma área de alta concentração no espaço intermembranoso para uma área de baixa concentração na matriz mitocondrial. A energia derivada desse processo exergônico é usada para sintetizar o ATP a partir do ADP e do fosfato inorgânico. Parte c: Esta ilustração mostra a cadeia de transporte de elétrons e a enzima ATP sintase embutidos na membrana mitocondrial interna, e o ciclo do ácido cítrico na matriz mitocondrial. O ciclo do ácido cítrico alimenta o NADH e o FADH2 na cadeia de transporte de elétrons. A cadeia de transporte de elétrons oxida esses substratos e, no processo, bombeia prótons para o espaço intermembranar. A ATP sintase permite que os prótons vazem de volta para a matriz e sintetize o ATP. A ATP sintase permite que os prótons se movam de uma área de alta concentração no espaço intermembranoso para uma área de baixa concentração na matriz mitocondrial. A energia derivada desse processo exergônico é usada para sintetizar o ATP a partir do ADP e do fosfato inorgânico. Parte c: Esta ilustração mostra a cadeia de transporte de elétrons e a enzima ATP sintase embutidos na membrana mitocondrial interna, e o ciclo do ácido cítrico na matriz mitocondrial. O ciclo do ácido cítrico alimenta o NADH e o FADH2 na cadeia de transporte de elétrons. A cadeia de transporte de elétrons oxida esses substratos e, no processo, bombeia prótons para o espaço intermembranar. A ATP sintase permite que os prótons vazem de volta para a matriz e sintetize o ATP. A ATP sintase permite que os prótons se movam de uma área de alta concentração no espaço intermembranoso para uma área de baixa concentração na matriz mitocondrial. A energia derivada desse processo exergônico é usada para sintetizar o ATP a partir do ADP e do fosfato inorgânico. Parte c: Esta ilustração mostra a cadeia de transporte de elétrons e a enzima ATP sintase embutidos na membrana mitocondrial interna, e o ciclo do ácido cítrico na matriz mitocondrial. O ciclo do ácido cítrico alimenta o NADH e o FADH2 na cadeia de transporte de elétrons. A cadeia de transporte de elétrons oxida esses substratos e, no processo, bombeia prótons para o espaço intermembranar. A ATP sintase permite que os prótons vazem de volta para a matriz e sintetize o ATP. Esta ilustração mostra a cadeia de transporte de elétrons e a enzima ATP sintase embutidos na membrana mitocondrial interna, e o ciclo do ácido cítrico na matriz mitocondrial. O ciclo do ácido cítrico alimenta o NADH e o FADH2 na cadeia de transporte de elétrons. A cadeia de transporte de elétrons oxida esses substratos e, no processo, bombeia prótons para o espaço intermembranar. A ATP sintase permite que os prótons vazem de volta para a matriz e sintetize o ATP. Esta ilustração mostra a cadeia de transporte de elétrons e a enzima ATP sintase embutidos na membrana mitocondrial interna, e o ciclo do ácido cítrico na matriz mitocondrial. O ciclo do ácido cítrico alimenta o NADH e o FADH2 na cadeia de transporte de elétrons. A cadeia de transporte de elétrons oxida esses substratos e, no processo, bombeia prótons para o espaço intermembranar. A ATP sintase permite que os prótons vazem de volta para a matriz e sintetize o ATP.
(a) A cadeia de transporte de elétrons é um conjunto de moléculas que suporta uma série de reações de redução da oxidação. (b) A ATP sintase é uma máquina molecular complexa que usa um gradiente de H + para regenerar o ATP do ADP. (c) A quimiosmose depende da energia potencial fornecida pelo gradiente de H + através da membrana.

O cianeto inibe a citocromo c oxidase, um componente da cadeia de transporte de elétrons. Se ocorrer envenenamento por cianeto, você esperaria que o pH do espaço intermembranar aumentasse ou diminuísse? Que efeito o cianeto teria na síntese de ATP?

Elétrons de NADH e FADH 2são passados ​​para complexos proteicos na cadeia de transporte de elétrons. À medida que são passados ​​de um complexo para outro (há um total de quatro), os elétrons perdem energia, e parte dessa energia é usada para bombear íons de hidrogênio da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar.

No quarto complexo proteico, os elétrons são aceitos pelo oxigênio, o receptor terminal. O oxigênio com seus elétrons extras, em seguida, combina com dois íons de hidrogênio, aumentando ainda mais o gradiente eletroquímico, para formar água. Se não houvesse oxigênio presente na mitocôndria, os elétrons não poderiam ser removidos do sistema, e toda a cadeia de transporte de elétrons voltaria e pararia. As mitocôndrias seriam incapazes de gerar novo ATP dessa forma, e a célula acabaria morrendo por falta de energia. Esta é a razão pela qual devemos respirar para atrair novo oxigênio.

Na cadeia de transporte de elétrons, a energia livre da série de reações que acabamos de descrever é usada para bombear íons de hidrogênio através da membrana. A distribuição desigual dos íons H + através da membrana estabelece um gradiente eletroquímico, devido à carga positiva dos íons H + e sua maior concentração em um dos lados da membrana.

Os íons de hidrogênio se difundem através da membrana interna através de uma proteína de membrana integral chamada ATP sintase ( Figura b ). Essa proteína complexa atua como um minúsculo gerador, transformado pela força dos íons de hidrogênio que se difundem através dela, para baixo de seu gradiente eletroquímico a partir do espaço intermembranoso, onde há muitos íons de hidrogênio que se repelem mutuamente na matriz, onde há poucos. O giro das partes dessa máquina molecular regenera o ATP do ADP. Este fluxo de íons de hidrogênio através da membrana através da ATP sintase é chamado de quimiosmose .

A quimiosmose ( Figura c ) é usada para gerar 90% do ATP produzido durante o catabolismo da glicose aeróbica. O resultado das reações é a produção de ATP a partir da energia dos elétrons removidos dos átomos de hidrogênio. Esses átomos eram originalmente parte de uma molécula de glicose.

No final do sistema de transporte de elétrons, os elétrons são usados ​​para reduzir uma molécula de oxigênio a íons de oxigênio. Os elétrons extras nos íons de oxigênio atraem íons de hidrogênio (prótons) do meio circundante, e a água é formada. A cadeia de transporte de elétrons e a produção de ATP através da quimiosmose são coletivamente chamadas de fosforilação oxidativa.

Rendimento ATP

O número de moléculas de ATP geradas a partir do catabolismo da glicose varia. Por exemplo, o número de íons de hidrogênio que os complexos da cadeia de transporte de elétrons podem bombear através da membrana varia entre as espécies. Outra fonte de variância decorre da lançadeira de elétrons através da membrana mitocondrial.

O NADH gerado a partir da glicólise não pode entrar facilmente nas mitocôndrias. Assim, os elétrons são captados no interior da mitocôndria por NAD + ou FAD + . Menos moléculas de ATP são geradas quando o FAD + atua como um portador. O NAD + é usado como transportador de elétrons no fígado e FAD + no cérebro, portanto, o rendimento de ATP depende do tecido que está sendo considerado.

Outro fator que afeta o rendimento das moléculas de ATP geradas a partir da glicose é que compostos intermediários nessas vias são utilizados para outros fins. O catabolismo da glicose se conecta com os caminhos que constroem ou quebram todos os outros compostos bioquímicos nas células, e o resultado é um pouco mais confuso do que as situações ideais descritas até agora. Por exemplo, outros açúcares além da glicose são alimentados na via glicolítica para extração de energia.

Outras moléculas que de outro modo seriam utilizadas para colher energia na glicólise ou no ciclo do ácido cítrico podem ser removidas para formar ácidos nucleicos, aminoácidos, lípidos ou outros compostos. No geral, em sistemas vivos, essas vias do catabolismo da glicose extraem cerca de 34% da energia contida na glicose.

CARREIRAS EM AÇÃO

Médico de Doença MitocondrialO que acontece quando as reações críticas da respiração celular não prosseguem corretamente? As doenças mitocondriais são distúrbios genéticos do metabolismo. Os distúrbios mitocondriais podem surgir de mutações no DNA nuclear ou mitocondrial e resultam na produção de menos energia do que o normal nas células do corpo.

Os sintomas das doenças mitocondriais podem incluir fraqueza muscular, falta de coordenação, episódios de acidente vascular cerebral e perda de visão e audição. As pessoas mais afetadas são diagnosticadas na infância, embora existam algumas doenças de início na idade adulta. Identificar e tratar distúrbios mitocondriais é um campo médico especializado. A preparação educacional para esta profissão requer uma educação universitária, seguida pela escola de medicina com especialização em genética médica.

Resumo da seção

O ciclo do ácido cítrico é uma série de reações químicas que remove elétrons de alta energia e os utiliza na cadeia de transporte de elétrons para gerar ATP. Uma molécula de ATP (ou equivalente) é produzida a cada turno do ciclo.

A cadeia de transporte de elétrons é a parte da respiração aeróbica que usa oxigênio livre como o aceptor de elétrons final para os elétrons removidos dos compostos intermediários no catabolismo da glicose. Os elétrons passam por uma série de reações químicas, com uma pequena quantidade de energia livre usada em três pontos para transportar íons de hidrogênio através da membrana.

Isso contribui para o gradiente utilizado na quimiosmose. Como os elétrons são passados ​​de NADH ou FADH 2na cadeia de transporte de elétrons, eles perdem energia. Os produtos da cadeia de transporte de elétrons são a água e o ATP. Um número de compostos intermediários pode ser desviado para o anabolismo de outras moléculas bioquímicas, tais como ácidos nucléicos, aminoácidos não essenciais, açúcares e lipídios. Essas mesmas moléculas, exceto os ácidos nucléicos, podem servir como fontes de energia para a via da glicose.

Referências:

Glossário

acetil-coA
a combinação de um grupo acetil derivado do ácido pirúvico e coenzima A, que é feito de ácido pantotênico (uma vitamina do grupo B)
Sintase de ATP
um complexo de proteínas incorporado à membrana que regenera o ATP do ADP com energia dos prótons difundindo-se através dele
quimiosmose
o movimento de íons de hidrogênio abaixo de seu gradiente eletroquímico através de uma membrana através de ATP sintase para gerar ATP
ciclo do ácido cítrico
uma série de reações químicas catalisadas por enzimas de importância central em todas as células vivas que recolhem a energia em ligações carbono-carbono de moléculas de açúcar para gerar ATP; o ciclo do ácido cítrico é uma via metabólica aeróbica porque requer oxigênio nas reações posteriores para prosseguir
cadeia de transporte de elétrons
uma série de quatro complexos multiproteínas grandes incorporados na membrana mitocondrial interna que aceitam elétrons de compostos doadores e extrai energia de uma série de reações químicas para gerar um gradiente de íons de hidrogênio através da membrana
fosforilação oxidativa
a produção de ATP pela transferência de elétrons pela cadeia de transporte de elétrons para criar um gradiente de prótons que é usado pela ATP sintase para adicionar grupos fosfato às moléculas de ADP

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