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Por que o piruvato do lactato e o piruvato de outras fontes seguem caminhos diferentes na gliconeogênese?

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Meu professor me ensinou em uma palestra que o PEP se forma a partir do piruvato de duas maneiras, com base em suas fontes, isto é - 1. Se o piruvato era do lactato (pela ação da lactato desidrogenase), ele é transportado para a mitocôndria e sucessivamente convertido em OAA e PEP, pelas enzimas PC e PEPCK (mitocondrial), respectivamente. Este PEP é então transportado para o citosol para que o restante das etapas gliconeogênicas ocorram. 2. Considerando que, se o piruvato era de qualquer outra fonte, ele é transportado para a mitocôndria, onde é convertido em OAA pelo PC. Em seguida, é transportado para o citosol pelo transporte de malato e, em seguida, convertido em PEP por PEPCK (citosólico). Por que a diferença de mecanismo? Corrija-me se alguma dessas etapas estiver errada.


Estrutura de piruvato

Esta molécula é a base conjugada do ácido pirúvico, uma molécula de três carbonos contendo um grupo ácido carboxílico e um grupo funcional cetona. A fórmula química do ácido pirúvico é C3H4O3 e por sua forma desprotonada é C3H3O3. O átomo de carbono que forma o ácido carboxílico é frequentemente referido como o primeiro átomo de carbono, com o número aumentando ao longo da estrutura de carbono, longe do terminal do ácido carboxílico. No piruvato, o grupo cetona está ligado ao segundo átomo de carbono, também conhecido como carbono α, uma vez que está mais próximo do grupo funcional principal, o terceiro carbono compreende um grupo metil.

É, portanto, o α-cetoácido mais simples e, de acordo com a nomenclatura oficial da IUPAC, denomina-se ácido α-cetopropanóico. Ele contém três átomos que podem atuar como doadores de ligações de hidrogênio e um átomo que pode ser um aceitador de ligações de hidrogênio. Como outros cetoácidos, o ácido pirúvico também pode tautomerizar de sua forma cetona para a forma enol, contendo uma ligação dupla e um álcool. Isso é particularmente importante na última etapa da glicólise.

Outros α-cetoácidos envolvidos na respiração celular incluem ácido oxaloacético, ácido α-ceto glutárico e ácido oxalosuccínico.


Vias metabólicas para quebrar a glicose em piruvato

Os pontos a seguir destacam as três principais vias metabólicas para quebrar a glicose em piruvato. As vias são: 1. Glicólise 2. Via da Pentose Fosfato ou Via da Hexose Monofosfato 3. Caminho de Entner-Doudoroff.

Via metabólica # 1. Glicolise:

A glicólise (Gk. Glykys = doce, lise = divisão), também chamada de via glicolítica ou via de Embden-Meyerhof-Parnas (EMP), é a sequência de reações que metaboliza uma molécula de glicose em duas moléculas de piruvato com a produção líquida concomitante de duas moléculas de ATP.

A glicólise é quase uma via central universal do catabolismo da glicose, e a via completa da glicólise foi elucidada em 1940, em grande parte por meio das contribuições pioneiras de G. Embden, O. Meyerhof, J. Parnas, C. Neuberg, O. Warburg, G. Cori e C. Cori. No entanto, a glicólise ocorre em todos os principais grupos de microrganismos e funciona na presença ou ausência de oxigênio. Ele está localizado na matriz citoplasmática das células de um organismo.

Todo o processo de glicólise (isto é, a quebra da molécula de glicose de 6 carbonos em duas moléculas do piruvato de 3 carbonos) ocorre em dez etapas (Fig. 24.1). As primeiras cinco etapas constituem a fase preparatória, enquanto as demais etapas ao vivo representam a fase de recompensa (fase de oxidação).

Na fase preparatória ocorre a fosforilação da glicose e sua conversão em gliceraldeído 3-fosfato à custa de duas moléculas de ATP. A conversão oxidativa do gliceraldeído 3-fosfato em piruvato e a formação acoplada de ATP e NADH é a característica da fase de payoff.

O relato conciso passo a passo da glicólise é o seguinte:

1. A glicose (açúcar hexose) é ativada para reações subsequentes por sua fosforilação para produzir glicose 6-fosfato, com ATP como doador de fosforila. Essa reação, irreversível em condições intracelulares, é catalisada pela enzima hexoquinase, que necessita de Mg 2+ para sua atividade.

2. A enzima fosfohexose isomerase (fosfoglucose isomerase) catalisa a isomerização reversível de glicose 6-fosfato (uma aldose) em frutose 6-fosfato (uma cetose). A fosfohexose isomerase requer Mg 2+ e é específica para glicose 6-fosfato e frutose 6-fosfato.

3. A enzima fosfofrutocinase catalisa a transferência de um grupo fosforil de ATP para frutose 6-fosfato para produzir frutose 1, 6-bifosfato. Esta reação é essencialmente irreversível em condições celulares. A fosfofrutocinase também requer Mg 2+ para sua atividade.

4. A enzima frutose 1, 6-bisfosfato aldolase, muitas vezes chamada simplesmente de aldolase, catalisa a clivagem da frutose 1,6-bifosfato para produzir dois fosfatos de açúcar triose diferentes, gliceraldeído 3-fosfato (uma aldose) e dihidroxiacetona fosfato (uma cetose).

5. O gliceraldeído 3-fosfato e o dihidroxiacetona fosfato são interconvertíveis. Apenas o gliceraldeído 3-fosfato é diretamente degradado nas etapas subsequentes e, portanto, o dihidroxiacetona fosfato é rápida e reversivelmente convertido em gliceraldeído 3-fosfato pela enzima triose fosfato isomerase. Esta reação completa a fase preparatória da glicólise.

6. Esta etapa é a primeira etapa da fase de compensação da glicólise, o Gliceraldeído 3-fosfato oxida em 1,3-bisfosfoglicerato com o envolvimento da enzima gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase. Durante esta reação, o NAD + é reduzido produzindo NADH (fosforilação oxidativa).

7. 1, 3-bisfosfoglicerato é convertido em 3-fosfoglicerato. Nesta reação, a enzima phosphoglycerokina.se transfere o grupo fosforil de alta energia de 1,3-bisfosfoglicerato para ADP produzindo ATP e 3-fosfoglicerato. A formação de ATP por transferência de grupo fosforil de um substrato (1,3-bisfosfoglicerato) é chamada de fosforilação em nível de substrato.

8. O 3-fosfoglicerato é agora convertido em 2-fosfoglicerato. Nesta reação, a enzima fosfoglicerato mutase catalisa uma mudança reversível do grupo fosforil entre C-2 e C-3 do glicerato Mg 2+ é essencial para esta reação.

9. Nesta etapa, a enzima enalase promove a remoção reversível de uma molécula de água do 2-fosfoglicerato para produzir fosfoenolpiruvato.

10. Esta é a última etapa da glicólise. O grupo fosforil do fosfoenolpiruvato é transferido para ADP pela enzima piruvato quinase para produzir ATP e piruvato por meio de fosforilação em nível de substrato. A enzima piruvato quinase requer K e c ou Mg 2+ ou Mn 2+ para sua atividade.

Toda a glicólise pode ser representada pela seguinte equação simples:

Glicose + 2ADP + 2Pi + 2NAD + = 2 piruvato + 2ATP + 2NADH + 2H +

Caminho metabólico # 2. Via da Pentose Fosfato ou Via da Hexose Monofosfato (Via HMP):

A via da pentose fosfato ou via da hexose monofosfato (via HMP) é a outra via comum para quebrar a glicose em piruvato e opera em condições aeróbicas e anaeróbicas.

Esta via produz NADPH, que carrega energia química na forma de poder redutor e é usado quase universalmente como o redutor em vias anabólicas (utilização de energia) (por exemplo, biossíntese de ácidos graxos, biossíntese de colesterol, biossíntese de nucleotídeos) e vias de desintoxicação (por exemplo, redução de glutationa oxidada, monooxigenases do citocromo P450).

Além disso, a via da pentose fosfato gera a pentose açúcar ribose e seus derivados, que são necessários para a biossíntese de ácidos nucléicos (DNA e RNA), bem como ATP, NADH, FAD e coenzima A. Desta forma, pela via da pentose fosfato pode ser uma fonte de energia em muitos microrganismos, é mais frequentemente de maior importância em várias vias biossintéticas.

A via da pentose fosfato (Fig. 24.2.) Consiste em duas fases: a fase oxidativa e a fase não oxidativa. Na fase oxidativa, há geração de NADPH quando a glicose 6-fosfato é oxidada a ribose 5-fosfato.

Na fase não oxidativa, a via catalisa a interconversão de açúcares de três, quatro, cinco, seis e sete carbonos em uma série de reações não oxidativas que podem resultar na síntese de açúcares de cinco carbonos para biossíntese de nucleotídeos ou a conversão de açúcares de cinco carbonos excessivos em intermediários da glicólise. Todas as reações da fase não oxidativa ocorrem no citoplasma da célula.

A fase oxidativa da via da pentose fosfato inicia com a conversão da glicose 6-fosfato em 6-fosfogluconato. NADP + é o aceptor de elétrons que produz NADPH durante esta reação. 6-Fosfogluconato, um açúcar de seis carbonos, é então oxidativamente descarboxilado para produzir ribulose 5-fosfato, um açúcar de cinco carbonos. O NADP + é novamente o aceitador de elétrons, gerando o NADPH.

Na etapa final da fase oxidativa, há isomerização de ribulose 5-fosfática em ribose 5-fosfato por fosfopentose isomerase e a conversão de ribulose 5-fosfato em seu epímero xilulose 5-fosfato por fosfopentose epimerase para a reação de transcetolase em não oxidativo Estágio.

Na fase não oxidativa, a transcetolase enzimática catalisa a transferência de um fragmento de dois carbonos de xilulose 5-fosfato para ribose 5-fosfato formando a sedoheptulose 7-fosfato de sete carbonos e o gliceraldeído 3-fosfato de três carbonos.

A enzima transaldolase então catalisa a transferência de um fragmento de três carbonos de sedoheptulose 7-fosfato para gliceraldeído 3-fosfato resultando em seis carbonos frutose 6-fosfato e quatro carbonos eritrose 4-fosfato.

Agora a transcetolase atua novamente, formando frutose 6-fosfato e gliceraldeído 3-fosfato a partir de eritrose 4-fosfato e xilulose 5-fosfato. Duas moléculas de gliceraldeído 3-fosfato formadas por duas interações dessas reações podem ser convertidas em uma molécula de frutose 1, 6-bifosfato.

O resultado geral da via da pentose fosfato é que 3 glicose 6-fosfatos são convertidos em dois frutose 6-fosfatos, gliceraldeído 3-fosfato e três CO2 moléculas, conforme mostrado na seguinte equação:

3 glicose 6-fosfato + 6 NADP + + 3H2O → 2 frutose 6-fosfato + gliceraldeído 3-fosfato + 3CO2 + 6 NADPH + 6H +

Os intermediários de frutose 6-fosfato e gliceraldeído 3-fosfato são usados ​​de duas maneiras. A frutose 6-fosfato pode ser convertida de volta em glicose 6-fosfato, enquanto o gliceraldeído 3-fosfato é convertido em piruvato pelas enzimas glicólise.

O gliceraldeído 3-fosfato também pode retornar à via da pentose fosfato através da formação de glicose 6-fosfato. Isso resulta na degradação completa de glicose 6-fosfato em CO2 e a produção de grande quantidade de NADPH.

Caminho metabólico # 3. Via Entner-Doudoroff (via ED):

A via de Entner-Doudoroff (via ED) é outra via utilizada pelas bactérias para converter glicose em piruvato. Embora a maioria das bactérias tenha a via glicolítica (glicólise) e a via da pentose fosfato (via da hexose monofosfato), algumas substituem a via ED pela via glicolítica. As bactérias que usam essa via são principalmente gram-negativas e raramente gram-positivas.

Duas enzimas-chave da via DE são 6-fosfogluconato desidrase e 2-ceto-3-desoxiglucosefosfato aldolase (KGDP-aldolase).

Uma pesquisa para a presença dessas enzimas em uma variedade de bactérias revelou que elas estão geralmente presentes em bactérias dos gêneros Pseudomonas, Rhizobium, Azotobacter, Agrobacterium, Zymomonas e várias outras bactérias gram negativas, mas estão ausentes nas bactérias gram-positivas (exceto para alguns isolados de Nocardia e Enterococcus faecalis).

A via de Entner-Doudoroff (Fig. 24.3.) Começa com as mesmas reações da via da pentose fosfato. A glicose é fosforilada, como a via da pentose fosfato, em glicoses-fosfato, que então é oxidada a 6-fosfogluconato. Este último, em vez de ser posteriormente oxidado, é desidratado para formar 2-ceto-3-desoxi-6-fosfogluconato, o composto intermediário chave nesta via.

O 2-ceto-3-desoxi-6-fosfogluconato (KDPG) é então clivado em piruvato e gliceraldeído 3-fosfato pela enzima KDPG-aldolose. O gliceraldeído-3-fosfato entra na via glicolítica e é convertido, finalmente, em piruvato. Esta via produz um ATP, um NADH e um NADPH por glicose metabolizada.


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Sintomas Sintomas

Os sinais e sintomas da deficiência do complexo piruvato desidrogenase (PDC) podem começar a qualquer momento entre o nascimento e o final da infância, mas começam mais comumente na primeira infância. Os sinais que podem ser aparentes na gravidez incluem baixo ganho de peso fetal e baixos níveis de estriol na urina da mãe. [4] Alguns bebês com a doença podem ter anormalidades cerebrais observadas na ultrassonografia. [1] Bebês com deficiência de PDC podem ter pontuações baixas medindo a saúde de um bebê após o nascimento (pontuações de Apgar). Um baixo peso ao nascer é comum. Algumas características que podem ser características da deficiência de PDC incluem cabeça estreita, testa proeminente (saliência frontal), ponte nasal larga, filtro longo e narinas dilatadas. No entanto, essas características não estão presentes em todos os bebês com deficiência de PDC. [2]

Mais comumente, bebês com deficiência de PDC desenvolvem sintomas logo após o nascimento. Os bebês podem ter níveis elevados de lactato na corrente sanguínea (acidose láctica). Alguns bebês com acidose láctica grave podem ter níveis elevados de amônia no sangue (hiperamonemia). Outros sintomas de deficiência de PDC podem incluir baixo tônus ​​muscular (hipotonia), má alimentação, cansaço extremo (letargia), respiração rápida (taquipnéia), movimentos anormais dos olhos e convulsões. Os sintomas que se desenvolvem posteriormente podem incluir cabeça pequena (microcefalia), deficiência intelectual, cegueira e músculos tensos (espasticidade). [1] [4]

Existe uma ampla gama de gravidade dos sintomas associados à deficiência de PDC. Em alguns casos, a doença é menos grave e episódios de acidose láctica ocorrem apenas quando a pessoa está doente, sob estresse ou ingere uma grande quantidade de carboidratos. Nessas situações, os sinais de acidose láctica podem incluir movimentos musculares anormais (ataxia). Em alguns casos, pessoas com deficiência de PDC que começa na infância podem ter desenvolvimento normal do cérebro. [2]

A deficiência de PDC afeta homens e mulheres. No entanto, é mais provável que os homens tenham formas graves da doença do que as mulheres. [2]

Esta tabela lista os sintomas que as pessoas com essa doença podem apresentar. Para a maioria das doenças, os sintomas variam de pessoa para pessoa. Pessoas com a mesma doença podem não apresentar todos os sintomas listados. Essas informações vêm de um banco de dados denominado Human Phenotype Ontology (HPO). O HPO coleta informações sobre os sintomas descritos em recursos médicos. O HPO é atualizado regularmente. Use o HPO ID para acessar informações mais detalhadas sobre um sintoma.


Via da gliconeogênese

  1. A gliconeogênese começa na mitocôndria ou no citoplasma do fígado ou rim. Primeiro, duas moléculas de piruvato são carboxiladas para formar oxaloacetato. Uma molécula de ATP (energia) é necessária para isso.
  2. O oxaloacetato é reduzido a malato pelo NADH para que possa ser transportado para fora da mitocôndria.
  3. O malato é oxidado de volta a oxaloacetato assim que sai da mitocôndria.
  4. O oxaloacetato forma fosfoenolpiruvato usando a enzima PEPCK.
  5. O fosfoenolpiruvato é alterado para frutose-1,6-bifosfato e, em seguida, para frutose-6-fosfato. O ATP também é usado durante este processo, que é essencialmente glicólise ao contrário.
  6. A frutose-6-fosfato torna-se glicose-6-fosfato com a enzima fosfoglucoisomerase.
  7. A glicose é formada a partir da glicose-6-fosfato no retículo endoplasmático da célula por meio da enzima glicose-6-fosfatase. Para formar glicose, um grupo fosfato é removido, e glicose-6-fosfato e ATP tornam-se glicose e ADP.


Este diagrama mostra a via da gliconeogênese.

2. A gliconeogênese é um processo de (n) ______.
UMA. Endógeno
B. Exógeno
C. Nem endógeno nem exógeno

3. Qual é o principal órgão do corpo onde ocorre a gliconeogênese?
UMA. Rim
B. Cérebro
C. Fígado
D. Mitocôndria


Oxidação de piruvato no metabolismo celular

A oxidação do piruvato liga a glicólise à próxima etapa da respiração celular. Para cada molécula de glicose, a glicólise produz uma rede de duas moléculas de piruvato. Nos eucariotos, o piruvato é oxidado na matriz da mitocôndria. Em procariotos, a oxidação ocorre no citoplasma. A reação de oxidação é realizada por uma enzima chamada complexo piruvato desidrogenase, que é uma enorme molécula contendo mais de 60 subunidades. A oxidação converte a molécula de piruvato de três carbonos em uma acetil coenzima A de dois carbonos ou molécula de acetil CoA. A oxidação também produz uma molécula de NADH e libera um dióxido de carbono (CO2) molécula. A molécula de acetil CoA entra no ciclo de ácido cítrico ou Krebs, continuando o processo de respiração celular.

As etapas de oxidação do piruvato são:

  1. Um grupo carboxila é removido do piruvato, transformando-o em uma molécula de dois carbonos, CoA-SH. O outro carbono é liberado na forma de dióxido de carbono.
  2. A molécula de dois carbonos é oxidada, enquanto o NAD + é reduzido para formar o NADH.
  3. Um grupo acetil é transferido para a coenzima A, formando acetil CoA. O acetil CoA é uma molécula carreadora, que carrega o grupo acetil no ciclo do ácido cítrico.

Como duas moléculas de piruvato saem da glicólise, duas moléculas de dióxido de carbono são liberadas, 2 moléculas de NADH são geradas e duas moléculas de acetil CoA continuam no ciclo do ácido cítrico.


O destino do piruvato em caso de respiração aeróbica

Durante a respiração aeróbia, o piruvato se transforma em acetil CoA, e agora entra no ciclo do TCA (ciclo de Krebs), via descarboxilação oxidativa, essa reação é catalisada pelo complexo piruvato desidrogenase composto pelas três enzimas E1, E2, E3. E1 = piruvato desidrogenase, E2 = dihidrolipoil transacetelase, E3 = dihidrolipoil desidrogenase). O complexo de piruvato desidrogenase (E1, E2 e E3) requer 5 coenzimas para esta reação, a saber, TPP, lipoato, CoA-SH, FAD, NAD + para catalisar esta reação. E1 ligado com TPP libera CO2 do piruvato e transfere grupo acetil ativo para TPP, agora TPP transfere grupo acetil em lipoato ligado com E2, e lipoato transfere grupo acetil para CoA.SH formando Acetil CoA, agora E3 transfere H de lipoato reduzido para FAD que transfere um elétron para NAD + formando NADH + H +. Agora, este acetil CoA pode entrar no TCA.

Piruvato + E1 + E2 + E3 + TPP + lipoato + CoA-SH + FAD + NAD + Acetil CoA + E1 + E2 + E3 + TPP + lipoato + FAD + NADH + H +


Fosforilação em nível de substrato (SLP)

A rota mais simples para sintetizar ATP é a fosforilação em nível de substrato. As moléculas de ATP são geradas (isto é, regeneradas a partir do ADP) como resultado direto de uma reação química que ocorre nas vias catabólicas. Um grupo fosfato é removido de um reagente intermediário na via e a energia livre da reação é usada para adicionar o terceiro fosfato a uma molécula de ADP disponível, produzindo ATP. Este método direto de fosforilação é chamado. Ele pode ser encontrado em uma variedade de reações catabólicas, mais notavelmente em duas reações específicas na glicólise (que discutiremos especificamente mais tarde). Basta dizer que o que é necessário é um intermediário de alta energia cuja oxidação seja suficiente para conduzir a síntese de ATP.

Figura 5.Aqui está um exemplo de fosforilação em nível de substrato que ocorre na glicólise. Há uma transferência direta de um grupo fosfato do composto de carbono para o ADP para formar o ATP. Atribuição: Marc T. Facciotti (obra própria)

Nesta reação, os reagentes são um composto de carbono fosforilado denominado G3P ​​(da etapa 6 da glicólise) e uma molécula de ADP, e os produtos são 1,3-BPG e ATP. A transferência do fosfato de G3P para ADP para formar ATP no sítio ativo da enzima é. Isso ocorre duas vezes na glicólise e uma vez no ciclo do TCA (para uma leitura subsequente).

Fermentação e regeneração de NAD +

Resumo da seção

Esta seção discute o processo de fermentação. Devido à grande ênfase neste curso no metabolismo central do carbono, a discussão da fermentação enfoca compreensivelmente na fermentação do piruvato. No entanto, alguns dos princípios básicos que abordamos nesta seção aplicam-se igualmente bem à fermentação de muitas outras moléculas pequenas.

O propósito da fermentação

A oxidação de uma variedade de pequenos compostos orgânicos é um processo utilizado por muitos organismos para acumular energia para manutenção e crescimento celular. A oxidação da glicose via glicólise é uma dessas vias. Vários passos importantes na oxidação da glicose a piruvato envolvem a redução do transporte elétron / energia NAD + para NADH. No final da seção 5.3, você foi solicitado a descobrir quais opções a célula poderia razoavelmente ter para reoxidar o NADH em NAD + a fim de evitar consumir os pools disponíveis de NAD + e, assim, evitar a interrupção da glicólise. Em outras palavras, durante a glicólise, as células podem gerar grandes quantidades de NADH e lentamente exaurir seus suprimentos de NAD +. Para que a glicólise continue, a célula deve encontrar uma maneira de regenerar o NAD +, seja por síntese ou por alguma forma de reciclagem.

Na ausência de qualquer outro processo - isto é, se considerarmos apenas a glicólise & mdashit não é imediatamente óbvio o que a célula pode fazer. Uma opção é tentar colocar os elétrons que antes eram retirados dos derivados de glicose de volta no produto a jusante, o piruvato ou um de seus derivados. Podemos generalizar o processo descrevendo-o como o retorno de elétrons à molécula que foram removidos, geralmente para restaurar pools de um agente oxidante. Em suma, isso é fermentação. Como discutiremos em uma seção diferente, o processo de respiração também pode regenerar os pools de NAD + do NADH. Células sem cadeias respiratórias ou em condições onde o uso da cadeia respiratória é desfavorável podem escolher a fermentação como um mecanismo alternativo para acumular energia de pequenas moléculas.

Um exemplo: fermentação de ácido láctico

Um exemplo cotidiano de reação de fermentação é a redução do piruvato a lactato pela reação de fermentação do ácido lático. Esta reação deve ser familiar para você: ocorre em nossos músculos quando nos esforçamos durante o exercício. Quando nos esforçamos, nossos músculos requerem grandes quantidades de ATP para realizar o trabalho que exigimos deles. À medida que o ATP é consumido, as células musculares são incapazes de atender à demanda de respiração, O2 torna-se limitante e o NADH se acumula. As células precisam se livrar do excesso e regenerar o NAD +, então o piruvato atua como um aceptor de elétrons, gerando lactato e oxidando o NADH em NAD +. Muitas bactérias usam essa via como forma de completar o ciclo NADH / NAD +. Você pode estar familiarizado com esse processo de produtos como chucrute e iogurte. A reação química da fermentação do ácido láctico é a seguinte:

Piruvato + NADH & ácido lático harr + NAD +

Figura 1. A fermentação do ácido láctico converte o piruvato (um composto de carbono ligeiramente oxidado) em ácido láctico. No processo, o NADH é oxidado para formar NAD +. Atribuição: Marc T. Facciotti (trabalho original)

História da energia para a fermentação do piruvato em lactato

Um exemplo (embora um pouco longo) de história de energia para a fermentação de ácido láctico é o seguinte:

Os reagentes são piruvato, NADH e um próton. Os produtos são lactato e NAD +. O processo de fermentação resulta na redução do piruvato para formar ácido lático e na oxidação do NADH para formar NAD +. Elétrons do NADH e um próton são usados ​​para reduzir o piruvato a lactato. Se examinarmos uma tabela de potencial de redução padrão, vemos sob condições padrão que uma transferência de elétrons do NADH para o piruvato para formar o lactato é exergônica e, portanto, termodinamicamente espontânea. As etapas de redução e oxidação da reação são acopladas e catalisadas pela enzima lactato desidrogenase.

Um segundo exemplo: fermentação de álcool

Outro processo de fermentação familiar é a fermentação do álcool, que produz etanol, um álcool. A reação de fermentação do álcool é a seguinte:

Figura 2. A fermentação do etanol é um processo de duas etapas. O piruvato (ácido pirúvico) é primeiro convertido em dióxido de carbono e acetaldeído. A segunda etapa converte acetaldeído em etanol e oxida NADH em NAD +. Atribuição: Marc T. Facciotti (trabalho original)

Na primeira reação, um grupo carboxila é removido do ácido pirúvico, liberando dióxido de carbono como gás (alguns de vocês podem estar familiarizados com isso como um componente-chave de várias bebidas). A segunda reação remove elétrons do NADH, formando NAD + e produzindo etanol (outro composto familiar - geralmente na mesma bebida) do acetaldeído, que aceita os elétrons.

Escreva uma história completa de energia para a fermentação do álcool. Propor os possíveis benefícios desse tipo de fermentação para o organismo de levedura unicelular.

Vídeos potencialmente úteis

Aqui está um link ChemWiki sobre reações de fermentação.

As vias de fermentação são numerosas

Embora as vias de fermentação de ácido láctico e de fermentação de álcool descritas acima sejam exemplos, existem muitas outras reações (numerosas demais para serem analisadas) que a Natureza desenvolveu para completar o ciclo NADH / NAD +. É importante que você compreenda os conceitos gerais por trás dessas reações. Em geral, as células tentam manter um equilíbrio ou proporção constante entre NADH e NAD +, quando essa proporção se torna desequilibrada, a célula compensa modulando outras reações para compensar. O único requisito para uma reação de fermentação é que ela use um pequeno composto orgânico como um aceptor de elétrons para o NADH e regenere o NAD +. Outras reações de fermentação familiares incluem a fermentação do etanol (como na cerveja e no pão), a fermentação propiônica (é o que faz os buracos no queijo suíço) e a fermentação malolática (é o que dá ao Chardonnay seu sabor mais suave e quanto mais conversão de malato em lactato, mais suave vinho). Na Figura 3, você pode ver uma grande variedade de reações de fermentação que várias bactérias usam para reoxidar NADH em NAD +. Todas essas reações começam com piruvato ou um derivado do metabolismo do piruvato, como oxaloacetato ou formato. O piruvato é produzido a partir da oxidação de açúcares (glicose ou ribose) ou outras moléculas orgânicas pequenas e reduzidas. Também deve ser notado que outros compostos podem ser usados ​​como substratos de fermentação além do piruvato e seus derivados. Isso inclui a fermentação de metano, a fermentação de sulfeto ou a fermentação de compostos nitrogenados, como aminoácidos. Não se espera que você memorize todos esses caminhos. No entanto, espera-se que você reconheça um caminho que retorna elétrons para produtos dos compostos que foram originalmente oxidados para reciclar o pool NAD + / NADH e associar esse processo à fermentação.

Figura 3. Esta figura mostra várias vias de fermentação usando piruvato como substrato inicial. Na figura, o piruvato é reduzido a uma variedade de produtos por meio de reações diferentes e, às vezes, de várias etapas (as setas tracejadas representam possíveis processos de várias etapas). Todos os detalhes não são mostrados deliberadamente. O ponto principal é reconhecer que fermentação é um termo amplo não associado apenas à conversão do piruvato em ácido lático ou etanol. Fonte: Marc T. Facciotti (obra original)

Uma nota sobre a ligação entre a fosforilação ao nível do substrato e a fermentação

A fermentação ocorre na ausência de oxigênio molecular (O2) É um processo anaeróbico. Observe que não há O2 em qualquer uma das reações de fermentação mostradas acima. Muitas dessas reações são bastante antigas, supostamente algumas das primeiras reações metabólicas geradoras de energia a evoluir. Isso faz sentido se considerarmos o seguinte:

  1. A atmosfera primitiva era altamente reduzida, com pouco oxigênio molecular prontamente disponível.
  2. Moléculas orgânicas pequenas e altamente reduzidas estavam relativamente disponíveis, surgindo de uma variedade de reações químicas.
  3. Esses tipos de reações, vias e enzimas são encontrados em muitos tipos diferentes de organismos, incluindo bactérias, arquéias e eucariotos, sugerindo que se tratam de reações muito antigas.
  4. O processo evoluiu muito antes de O2 foi encontrado no ambiente.
  5. Os substratos, pequenas moléculas orgânicas altamente reduzidas, como a glicose, estavam prontamente disponíveis.
  6. Os produtos finais de muitas reações de fermentação são pequenos ácidos orgânicos, produzidos pela oxidação do substrato inicial.
  7. O processo é acoplado a reações de fosforilação em nível de substrato. Ou seja, moléculas orgânicas pequenas e reduzidas são oxidadas e o ATP é gerado primeiro por uma reação redox seguida pela fosforilação em nível de substrato.
  8. Isso sugere que as reações de fosforilação e fermentação em nível de substrato coevoluíram.

Se a hipótese estiver correta de que as reações de fosforilação e fermentação no nível do substrato coevoluíram e foram as primeiras formas de metabolismo energético que as células usaram para gerar ATP, quais seriam as consequências de tais reações ao longo do tempo? E se essas fossem as únicas formas de metabolismo energético disponíveis ao longo de centenas de milhares de anos? E se as células fossem isoladas em um ambiente pequeno e fechado? E se os substratos pequenos e reduzidos não estivessem sendo produzidos com a mesma taxa de consumo durante esse tempo?

Consequências da fermentação

Imagine um mundo onde a fermentação é o principal modo de extrair energia de pequenas moléculas. À medida que as populações prosperam, elas se reproduzem e consomem a abundância de pequenas moléculas orgânicas reduzidas no ambiente, produzindo ácidos. Uma consequência é a acidificação (diminuição do pH) do meio ambiente, incluindo o meio celular interno. Isso não é tão bom, já que mudanças no pH podem ter uma influência profunda na função e nas interações entre as várias biomoléculas. Portanto, é necessário desenvolver mecanismos que possam remover os vários ácidos. Felizmente, em um ambiente rico em compostos reduzidos, a fosforilação e a fermentação em nível de substrato podem produzir grandes quantidades de ATP.

É hipotetizado que este cenário foi o início da evolução do F0F1-ATPase, uma máquina molecular que hidrolisa ATP e transloca prótons através da membrana (veremos isso novamente na próxima seção). Com o F0F1-ATPase, o ATP produzido a partir da fermentação pode agora permitir que a célula mantenha a homeostase do pH ao acoplar a energia livre da hidrólise do ATP ao transporte de prótons para fora da célula. A desvantagem é que agora as células estão bombeando todos esses prótons para o ambiente, que agora começará a se acidificar.

Se a hipótese estiver correta de que o F0F1-ATPase também evoluiu com reações de fosforilação e fermentação em nível de substrato, então o que aconteceria com o tempo ao ambiente? Embora compostos orgânicos pequenos e reduzidos possam ter sido inicialmente abundantes, se a fermentação "fosse interrompida" em algum ponto, então os compostos reduzidos acabariam e o ATP poderia então se tornar escasso também. Isso é um problema. Pensando com a rubrica de desafio de design em mente, defina o (s) problema (s) que a célula enfrenta neste ambiente hipotético. Quais são os outros mecanismos ou maneiras em potencial pelas quais a Natureza poderia superar o (s) problema (s)?


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