7.7: Regulação da respiração celular

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Habilidades para desenvolver

Descreva como a inibição do feedback afetaria a produção de um intermediário ou produto em um caminho
Identifique o mecanismo que controla a taxa de transporte de elétrons pela cadeia de transporte de elétrons

A respiração celular deve ser regulada para fornecer quantidades equilibradas de energia na forma de ATP. A célula também deve gerar vários compostos intermediários que são usados no anabolismo e catabolismo de macromoléculas. Sem controles, as reações metabólicas rapidamente parariam quando as reações para frente e para trás alcançassem um estado de equilíbrio. Os recursos seriam usados de forma inadequada. Uma célula não precisa da quantidade máxima de ATP que pode produzir o tempo todo: às vezes, a célula precisa desviar alguns dos intermediários para as vias de produção de aminoácidos, proteínas, glicogênio, lipídios e ácidos nucléicos. Em resumo, a célula precisa controlar seu metabolismo.

Mecanismos regul

Vários mecanismos são usados para controlar a respiração celular. Existe algum tipo de controle em cada estágio do metabolismo da glicose. O acesso da glicose à célula pode ser regulado usando as proteínas GLUT que transportam glicose (Figura\(\PageIndex{1}\)). Diferentes formas da proteína GLUT controlam a passagem da glicose para as células de tecidos específicos.

Quando a insulina na corrente sanguínea se liga ao receptor de insulina na membrana plasmática de uma célula-alvo, uma vesícula contendo o transportador de glicose Glut-4 se funde com a membrana plasmática. O Glut-4 é um transportador que permite que a glicose entre na célula. — Figura\(\PageIndex{1}\): O GLUT4 é um transportador de glicose armazenado em vesículas. Uma cascata de eventos que ocorre após a ligação da insulina a um receptor na membrana plasmática faz com que vesículas contendo GLUT4 se fundam com a membrana plasmática para que a glicose possa ser transportada para a célula.

Algumas reações são controladas por meio de duas enzimas diferentes — uma para cada uma nas duas direções de uma reação reversível. Reações que são catalisadas por apenas uma enzima podem entrar em equilíbrio, interrompendo a reação. Por outro lado, se duas enzimas diferentes (cada uma específica para uma determinada direção) forem necessárias para uma reação reversível, a oportunidade de controlar a taxa da reação aumenta e o equilíbrio não é alcançado.

Várias enzimas envolvidas em cada uma das vias - em particular, a enzima que catalisa a primeira reação cometida da via - são controladas pela ligação de uma molécula a um sítio alostérico da proteína. As moléculas mais comumente usadas nessa capacidade são os nucleotídeos ATP, ADP, AMP, NAD ⁺ e NADH. Esses reguladores, efetores alostéricos, podem aumentar ou diminuir a atividade enzimática, dependendo das condições prevalecentes. O efetor alostérico altera a estrutura estérica da enzima, geralmente afetando a configuração do sítio ativo. Essa alteração da estrutura da proteína (a enzima) aumenta ou diminui sua afinidade por seu substrato, com o efeito de aumentar ou diminuir a taxa da reação. A ligação sinaliza para a enzima. Essa ligação pode aumentar ou diminuir a atividade da enzima, fornecendo feedback. Esse tipo de controle de feedback é eficaz desde que a substância química que o afeta esteja ligada à enzima. Quando a concentração geral do produto químico diminuir, ele se afastará da proteína e o controle será relaxado.

Controle de vias catabólicas

Enzimas, proteínas, transportadores de elétrons e bombas que desempenham papéis na glicólise, no ciclo do ácido cítrico e na cadeia de transporte de elétrons tendem a catalisar reações não reversíveis. Em outras palavras, se a reação inicial ocorrer, a via está comprometida em prosseguir com as reações restantes. A liberação de uma atividade enzimática específica depende das necessidades de energia da célula (conforme refletido pelos níveis de ATP, ADP e AMP).

Glicólise

O controle da glicólise começa com a primeira enzima na via, a hexoquinase (Figura\(\PageIndex{2}\)). Essa enzima catalisa a fosforilação da glicose, o que ajuda a preparar o composto para clivagem em uma etapa posterior. A presença do fosfato carregado negativamente na molécula também impede que o açúcar saia da célula. Quando a hexoquinase é inibida, a glicose se difunde para fora da célula e não se torna um substrato para as vias respiratórias desse tecido. O produto da reação da hexoquinase é a glicose-6-fosfato, que se acumula quando uma enzima posterior, a fosfofrutoquinase, é inibida.

A fosfofrutoquinase é a principal enzima controlada na glicólise. Altos níveis de ATP, citrato ou um pH mais baixo e mais ácido diminuem a atividade da enzima. Um aumento na concentração de citrato pode ocorrer devido a um bloqueio no ciclo do ácido cítrico. A fermentação, com a produção de ácidos orgânicos como o ácido lático, frequentemente é responsável pelo aumento da acidez em uma célula; no entanto, os produtos da fermentação normalmente não se acumulam nas células.

A última etapa da glicólise é catalisada pela piruvato quinase. O piruvato produzido pode ser catabolizado ou convertido no aminoácido alanina. Se não for necessária mais energia e a alanina estiver em suprimento adequado, a enzima é inibida. A atividade da enzima aumenta quando os níveis de frutose-1,6-bisfosfato aumentam. (Lembre-se de que a frutose-1,6-bisfosfato é um intermediário na primeira metade da glicólise.) A regulação da piruvato quinase envolve a fosforilação por uma quinase (piruvato quinase), resultando em uma enzima menos ativa. A desfosforilação por uma fosfatase a reativa. A piruvato quinase também é regulada pelo ATP (um efeito alostérico negativo).

Se for necessária mais energia, mais piruvato será convertido em acetil CoA por meio da ação da piruvato desidrogenase. Se os grupos acetil ou o NADH se acumularem, há menos necessidade da reação e a taxa diminui. A piruvato desidrogenase também é regulada pela fosforilação: uma quinase a fosforila para formar uma enzima inativa e uma fosfatase a reativa. A quinase e a fosfatase também são reguladas.

Ciclo do ácido cítrico

O ciclo do ácido cítrico é controlado por meio das enzimas que catalisam as reações que formam as duas primeiras moléculas do NADH. Essas enzimas são a isocitrato desidrogenase e a α-cetoglutarato desidrogenase. Quando níveis adequados de ATP e NADH estão disponíveis, as taxas dessas reações diminuem. Quando mais ATP é necessário, conforme refletido no aumento dos níveis de ADP, a taxa aumenta. a α -cetoglutarato desidrogenase também será afetada pelos níveis de succinil CoA - um intermediário subsequente no ciclo - causando uma diminuição na atividade. Uma diminuição na taxa de operação da via neste ponto não é necessariamente negativa, pois os níveis aumentados do α-cetoglutarato não usado pelo ciclo do ácido cítrico podem ser usados pela célula para a síntese de aminoácidos (glutamato).

Cadeia de transporte eletrônico

Enzimas específicas da cadeia de transporte de elétrons não são afetadas pela inibição do feedback, mas a taxa de transporte de elétrons pela via é afetada pelos níveis de ADP e ATP. O maior consumo de ATP por uma célula é indicado pelo acúmulo de ADP. À medida que o uso de ATP diminui, a concentração de ADP diminui e, agora, o ATP começa a se acumular na célula. Essa mudança é que a concentração relativa de ADP em ATP faz com que a célula desacelere a cadeia de transporte de elétrons.

Link para o aprendizado

Visite este site para ver uma animação da cadeia de transporte de elétrons e da síntese de ATP.

Para obter um resumo dos controles de feedback na respiração celular, consulte a Tabela\(\PageIndex{1}\).

Tabela\(\PageIndex{1}\): Controles de feedback na respiração celular.
Caminho	Enzima afetada	Níveis elevados de efetor	Efeito na atividade da via
glicólise	hexoquinase	glicose-6-fosfato	diminuição
	fosfofrutoquinase	carga de baixa energia (ATP, AMP), frutose-6-fosfato via frutose-2,6-bisfosfato	aumentar
		carga de alta energia (ATP, AMP), citrato, pH ácido	diminuição
	piruvato quinase	frutose-1,6-bisfosfato	aumentar
		carga de alta energia (ATP, AMP), alanina	diminuição
conversão de piruvato em acetil CoA	piruvato desidrogenase	ADP, piruvato	aumentar
		acetil CoA, ATP, NADH	diminuição
ciclo do ácido cítrico	isocitrato desidrogenase	ADP	aumentar
		TOQUE, NADH	diminuição
	α -cetoglutarato desidrogenase	Íons de cálcio, ADP	aumentar
		ATP, NADH, succinil CoA	diminuição
cadeia de transporte de elétrons		ADP	aumentar
		ATP	diminuição

Resumo

A respiração celular é controlada por vários meios. A entrada de glicose em uma célula é controlada pelas proteínas transportadoras que auxiliam na passagem da glicose pela membrana celular. A maior parte do controle dos processos respiratórios é realizado por meio do controle de enzimas específicas nas vias. Esse é um tipo de feedback negativo, desligando as enzimas. As enzimas respondem com mais frequência aos níveis dos nucleosídeos disponíveis ATP, ADP, AMP, NAD ⁺ e FAD. Outros intermediários da via também afetam certas enzimas nos sistemas.

Glossário

Proteína GLUT: proteína de membrana integral que transporta glicose