Nucleotídeos e metabolismo energético. NAD, FAD, NADP e ATP

Nucleotídeos são compostos de pentose ligada a fosfato e a uma base nitrogenada e representam os monômeros dos ácidos nucléicos:

Além de participarem da informação da célula (DNA e RNA), os nucleotídeos são fundamentais para o metabolismo energético, em especial o ADP/ATP, NAD, NADP e FAD, todos nucleotídeos que apresentam o nuclesídeo adenosina.

A adenosina

NucleoSídeos são  formados de uma pentose ligada a uma base nitrogenada. NucleoTídeos são nucleosídeos fosfatados:

A adenosina é  um nucleosídeo com adenina (abaixo, a pentose em preto e a adenina em azul):

AMP, ADP e ATP

Fosforilando uma adenosina (ou seja, transferindo um fosfato a ela) , tem-se o AMP, Adenosina monofosfato:

Fosforilando o AMP, forma-se  o ADP, adenosina difosfato:

O ATP é resultado da fosforilação do ADP:

O ATP é  a "moeda energética' da célula, e falamos bastante dele aqui e aqui. Neste post vamos nos concentrar nos aceptores  intermediários de elétrons, ou seja, NAD, NADP e FAD.

NADH  e FADH2 são formas reduzidas de FAD e NAD 

NAD+ e FAD+ são  agentes oxidantes que participam da respiração celular,recebendo hidrogênios, se tornando  NADH e FADH2.

NAD, ou Nicotinamida Adenosina Dinucleotídeo é composto de uma adenosina ligada por dois fosfatos a uma outra  ribose, ligada a uma Nicotinamida (vitamina B3):


O NAD+ é a forma oxidada que, ao receber hidrogênio, produz a forma reduzida: NADH.
Observe abaixo as diferenças entre NAD+ e NADH:o grupo nicotinamida do NAD+(no retângulo vermelho, abaixo) que apresenta um carbono insaturado ( que faz ligação dupla); esse carbono se torna saturado (apenas com ligações simples), se ligando ao hidrogênio, o que forma o NADH;


Para analisarmos melhor, vamos numerar os átomos da nicotinamida:




Veja de novo na  mesma figura anotada o NAD+ com carbono 3, insaturado. Note agora o nitrogênio (6) com carga positiva, que confere ao NAD+ a carga positiva:

Ao receber hidrogênio, o carbono 3 deixa de ter ligação dupla como o carbono 2, se tornando saturado. Note que o nitrogênio (6) não está mais negativo e, por isso, NADH já não apresenta mais carga:

Sabemos que redução é ganho de elétrons. O hidrogênio é constituido de um próton (H+) e um elétron. Ou seja, em química orgânica, geralmente ganho de hidrogênios significa ganho de elétrons, em outras palavras, redução. Observe a reação abaixo, com ênfase na nicotinamida, que este grupo ganha dois elétrons, o que explica o fato do nitrogênio deixar de apresentar carga positiva e, assim, NADH também:

O FAD, Flavina adenosina dinucleotídeo, também apresenta uma adenosina  ligada por dois fosfatos a uma riboflavina (vitamina B2):


Abaixo a forma oxidada (FAD) e reduzida (FADH2). Observe o nitrogênio em azul com ligações duplas do FAD. Essas ligações duplas se desfazem e o nitrogênio se liga a hidrogênio,formando o NADH2:




NAD e FAD são agentes oxidantes e funcionam como aceptores intermediários de elétrons 

Lembremos as etapas da respiração: glicólise, formação de acetil-CoaA, Ciclo de Krebs e Cadeia respiratória.

Observe,abaixo , a equação global da glicólise.  O NAD+ é agente oxidante que retira hidrogênios da glicose, reação que produz 2 moléculas de piruvato, 2 NADH e 2 ATP de saldo:

Em resumo:

O ácido pirúvico pode ser captado pela mitocôndria, formando acetil-CoA, que entra no ciclo de Krebs:


Perceba que o  ácido pirúvico ( que apresenta 3 carbonos), ao ser captado pela mitocôndria, é oxidado acetato que,ao receber CoA se torna Acetilcoenzima A ( que apresenta 2 carbonos). Esse diminuição do número de carbonos ocorre por perda de CO2.  Perceba que NAD+ é reagente do processo, retirando hidrogênios, o que produz a forma reduzida NADH +H+.  O Acetil-CoA entra no ciclo de Krebs, que envolve várias reações, nas quais FAD e NAD são agentes oxidantes.

As formas reduzidas NADH e FADH2 são oxidadas nas cristas mitocondrias, reciclando NAD+ e FAD+. Nas cristas ocorre a fosforilação oxidativa, processo de maior saldo energético da respiracao:




Assim, existe um fluxo de elétrons ao longo do processo de respiração celular. NAD e FAD são intermediários que interligam os processos como a glicólise, formação de acetil-CoA com a cadeia respiratória, sendo aceptores intermediários de elétrons, por fim recebidos pelo O2, o aceptor final. Veja na figura que outras moléculas além da glicose podem ser oxidadas, como aminoácidos e ácidos graxos, sendo NAD+ e FAD+  os agentes oxidantes;


Se NAD+ e FAD+ são reagentes da respiração, por que eles geralmente não aparecem na reação global?


A reação global da respiração celular está apresentada abaixo, perceba que NAD e FAD, mesmo sendo reagentes fundamentais ao processo, estão omitidos:


Isso ocorre porque  NAD+ e FAD+  reagem recebendo hidrogenios (são reduzidos) formando NADH e FADH2 que  são posteriomente oxidados, formando NAD+ e FAD+.  Assim, por serem reciclados ( são intermediários!) ,   NAD e FAD são reagentes E  produtos e, por isso, são omitidos na reação global simplificada:








Importância da reciclagem do NAD e FAD 


NAD+ e FAD+ são fundamentais ao  metabolismo energético. Entretanto, ocorrem em concentrações relativamente baixas na célula. As formas reduzidas NADH e FADH2 não podem mais oxidar os substratos da respiração e, por isso, devem transferir o hidrogênio para outros compostos a fim de retornar as formas oxidadas NAD+ e FAD+.  A ausência da reciclagem desses nucleotídeos signfica a paralisação da respiração.  Assim, a cadeia respiratória, além de produção de grande quantidade de ATP, é fundamental para a reciclagem do NAD+ e FAD+. A ausência do oxigênio impede o fluxo de elétrons, interrompendo a  cadeia respiratória e, por consequencia, essa reciclagem. Qualquer outro prejuizo aos citocromos, interrompendo a cadeia, tem o mesmo efeito. O impedimento da reciclagem paralisa todos os processos mitocondriais, pois depende desses dois agentes oxidantes: formação de acetil-CoA e ciclo de Krebs. Ou seja, os processos mitocondriais são dependentes direta ou indiretamente do oxigênio.

A fermentação promove a reciclagem do NAD na ausência do oxigênio

A glicólise, assim como os processos mitocondriais, depende o agente oxidante NAD+, que deve ser constantemente reciclado. Como vimos os processos mitocondriais dependem cadeia respiratória para essa reciclagem, e essa cadeia depende o oxigênio como aceptor final. Mas a glicólise é um processo que não depende do oxigênio. O NADH pode ser reciclado a NAD+ ao reagir com o piruvato, transferindo seu hidrogênio a ele. Esse é o processo da fermentação, na qual o aceptor final de elétrons é uma molécula orgânica. Como não há oxidação completa da glicose na fermentação, a energia liberada (saldo de 2 ATP da glicólise) é bem menor do que na respiração (36 a 38 ATP).

Fermentação alcóolica:

Fermentação lática:

O NADP é aceptor intermediário da fotossítese

O NADP é um NAD+ que apresenta fosfato na sua estrutura, compare:

Ele é o intermediário entra as fase "clara" e "escura". Na fase clara, a água é quebrada, liberando oxigênio e hidrogênios. Estes últimos se ligam ao NADP, que se torna NADPH. Na fase escura ( ciclo de Calvin), o NADPH é oxidado, reciclando NADP. O hidrogênio fará parte da composição da glicose (C6H12O6).

As vitaminas B3 e B2 são fundamentais ao metabolismo energético

Nicotinamida (vitamina B3) e Riboflavina (Vitamina B2) não são sintetizadas por animais e por isso devem ser adquiridas na alimentação. São fontes a carne, leite,ovo e folhas. Vamos retomar alguns pontos para entender a importância dessas vitaminas.

Lembrando da forma química do NAD+:

A Nicotinamida ( ou Niacina) é a vitamina B3. Ou seja, sem B3 não há respiração celular, nem fermentação. Assim, a carência absoluta de B3 causa a morte, enquanto que sua redução da dieta prejudica todos os tecidos, mas aqueles de maior metabolismo são os que apresentam prejuízo mais evidente, como tecido muscular e nervoso.  A falta de B3 causa Pelagra a doença dos 3Ds : diarréia, demência e dermatite. Em ingles ela é conhecida como "disease of 4D",  sendo o quarto "D" a morte ("death").
A Niacina é encontrada em qualquer tecido, mas será mais frequente em tecidos de alto metabolismo (por terem maior concentração de NAD), e por isso são boas fontes de B3 a carne (que é tecido muscular) e o fígado. Folhas também são fonte de B3 pois são ricas em NADP, que participa da fotossíntese .

Riboflavina (B2), constituinte do FAD+,  é fundamental para o ciclo de Krebs. A arriboflavinose , ou seja, a carência de riboflavina, também está relacionada a dermatites, lesões em boca, cansaço.

QUESTÕES

 1.(UFRJ) As leveduras são utilizadas pelos vinicultores como fonte de etanol, pelos panificadores como fonte de dióxido de carbono e pelos cervejeiros como fontes de ambos. As etapas finais do processo bioquímico que forma o etanol e o dióxido de carbono estão esquematizadas abaixo.

Além da produção de tais substâncias, esse processo apresenta a seguinte finalidade para a levedura:

a) Reduzir piruvato em anaerobiose.

b) Reoxidar o NADH₂ em anaerobiose.

c) Produzir aldeído acético em anaerobiose.

d) Iniciar a gliconeogênese em aerobiose.

 2. (PUC-SP) Comparando-se a respiração aeróbica e a fermentação, através dos esquemas abaixo, fizeram-se as seguintes afirmações:

I. Na respiração aeróbica o aceptor final dos hidrogênios é o oxigênio e na fermentação é a própria substância orgânica formada.

II. A diferença entre a fermentação e a glicólise aeróbia é o destino dos hidrogênios durante o processo.

III. Os aceptores intermediários de hidrogênio que participam dos dois processos são diferentes.

Assinale:

a) Se as afirmativas I, II e III estiverem certas.

b) Se apenas a afirmativa I estiver certa.

c) Se apenas a afirmativa II estiver certa.

d) Se as afirmativas I e II estiverem certas.

e) Se todas as afirmativas estiverem erradas.

3.(UERJ/2001) Usando-se uma preparação de mitocôndrias isoladas, incubada em condições adequadas, foram medidas as taxas de consumo do oxigênio e do substrato e a taxa de produção de ATP, em duas situações:

I. ausência de cianeto;

II. presença de cianeto.

Observe o gráfico que representa o resultado desse experimento.

Indique a ação do cianeto na cadeia respiratória mitocondrial.

Para saber Mais:

Fases Claras e Escura da fotossíntese

Termoquímica  metabólica: diferenças entre respiração e combustão. Fases da respiração.

Recarregando a pilha: 3 processos de fosforilação. ATP sintase

Controle endócrino do metabolismo energético

Tudo sobre endotermia e ectotermia