AULA 7 BIOENERGETICA

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Apresentação
Nesta aula, continuaremos a discutir o metabolismo de carboidratos, mas com o enfoque no destino do piruvato na presença de oxigênio. Antes disso, estudaremos a bioenergética e veremos de que forma as transformações químicas que ocorrem no organismo obedecem às leis da termodinâmica.
Em seguida, desvendaremos o ciclo de Krebs e a cadeia respiratória, estudando de que forma nossos substratos energéticos são convertidos finalmente a gás carbônico e água na presença de oxigênio, e contabilizaremos o ganho de energia no metabolismo aeróbio em comparação ao anaeróbio.
Por fim, abordaremos metabolismo do glicogênio, que é nosso carboidrato de reserva energética. Compreenderemos que a gliconeogênese é uma via de resgate, quando estamos em um jejum prolongado, para manter os níveis de glicose no sangue e fornecer esse açúcar para as células que precisam dele como fonte de energia.
Objetivos
· Relacionar os conceitos da bioenergética e do estudo de termodinâmica com as reações metabólicas;
· Descrever o ciclo de Krebs e a cadeia respiratória, correlacionando sua importância para o metabolismo e rendimento energético das células;
· Esclarecer o metabolismo do glicogênio e a gliconeogênese.
Primeiras palavras
As vias metabólicas que estudamos nas aulas anteriores ocorrem no citosol das células. Como elas envolvem uma série de reações em cadeia e essas reações só ocorrem quando as enzimas promovem catálise das mesmas, deduzimos que essas enzimas também estão presentes no citosol da célula.
As vias estudadas independem da presença de oxigênio. Sabemos que o organismo humano é essencialmente aeróbio, ou seja, nossas células não sobrevivem muito tempo na ausência de oxigênio.
Exemplo
Podemos exemplificar com uma situação do dia a dia. No infarto agudo do miocárdio, há normalmente a obstrução de alguma artéria que fornece oxigênio a determinada região do músculo cardíaco. Caso a irrigação da área não seja restabelecida, aquela região pode sofrer morte celular, uma vez que o processo de fermentação lática não será capaz de prover energia suficiente para o trabalho muscular daquelas células cardíacas. Quanto maior a extensão, mais grave será o quadro do paciente e dependendo da situação, o paciente poderá ir a óbito.
Já estudamos também que o eritrócito é uma célula que obtém energia a partir da fermentação lática, mesmo em condições aeróbias. Você já se perguntou por quê? Para responder a essa pergunta voltaremos um pouco na biologia celular, a hemácia é uma célula que não possui mitocôndrias, logo todos os processos que ocorrem dentro desta organela, que muitos chamam de usina celular, não ocorrerão no eritrócito. E chegamos à conclusão por qual motivo ela faz apenas o processo fermentativo. As outras células só fazem fermentação lática quando não chega oxigênio suficiente. No músculo em atividade vigorosa, há grande produção de lactato, a acidificação resultante da ionização do ácido lático nos músculos e no sangue limita, desta forma, o período dessa atividade. O que também justifica a necrose no músculo cardíaco citado anteriormente.
As outras vias metabólicas acontecem em outros compartimentos das células e a mitocôndria é o principal deles. É interessante relembrar a sua estrutura.
Observe as figuras a seguir.
 Duas mitocôndrias de células de tecido pulmonar de mamífero mostrando sua matriz e membranas como vistas ao microscópio eletrônico | Fonte: Wikipédia
 Diagrama da mitocôndria humana.
Bioenergética
Uma das características dos organismos vivos que já estudamos é a capacidade de realizar trabalho para manter-se, crescer e se reproduzir, e isso os diferencia da matéria inanimada.
Para tanto, precisam utilizar a energia química obtida dos nutrientes para sintetizar macromoléculas complexas a partir de precursores simples, gerar correntes elétricas, movimento, entre outros processos.
Bioenergética é o estudo quantitativo das transduções energéticas que ocorrem em células vivas – mudança de forma de energia a outra – bem como da natureza e da função dos processos químicos envolvidos nessas transduções.”
NELSON; COX, 2011
É importante lembrar que as transformações biológicas de energia obedecem às leis da termodinâmica, que é o conjunto de princípios que regem as transformações de energia.
Leis da termodinâmica
1
1ª Lei da Termodinâmica
Princípio da conservação de energia. A “energia é conservada”, não pode ser criada ou destruída, apenas transformada. A quantidade total de energia do universo permanece constante.
2
2ª Lei da Termodinâmica
Um processo será espontâneo se o caos do Universo aumentar. Ou seja, em todos os processos naturais, a entropia, grau de desordem, do universo aumenta.
As nossas reações são influenciadas por duas forças:
1
A tendência a atingir o estado de ligação mais estável, a entalpia, H, interfere nesse aspecto, ela reflete o conteúdo de calor do sistema reagente.
2
A tendência de atingir o mais alto grau de desordem, que é determinado pela entropia, S.
Essas duas variáveis compõem a equação da energia livre de Gibbs, ∆G, onde ∆G= ∆H - T∆S ; T=temperatura em Kelvin. Isso representa a tendência de uma reação química em prosseguir em direção ao equilíbrio.
Quando o ∆G de uma reação é negativo, a reação é exergônica (libera energia) e tende a caminhar para sua conclusão.
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Quando o ∆G é positivo, a reação é endergônica (absorve energia), sendo termodinamicamente desfavorável.
As células, então, acoplam essas reações desfavoráveis a outras que liberem energia, assim o processo global se torna exergônico. Já que o ∆G da reação global é a soma dos ∆G das duas reações separadas, a soma da variação de energia livre será negativa.
Vamos entender por que dizemos que o ATP é nossa moeda de energia e o acoplamos a várias reações?
Em vários momentos no estudo do metabolismo veremos que haverá o acoplamento de reações endergônicas e exergônicas através de um intermediário compartilhado. E reações que quebram o ATP liberam energia que permite que ocorram vários processos endergônicos nas células. As reações que convertem ATP em Pi e ADP ou em AMP e PPi são altamente exergônicas (∆G negativo e grande).
Nosso metabolismo é o somatório de reações conectadas entre si que interconvertem metabólitos celulares. Ele é regulado de forma que supra o que a célula precisa e que ela gaste o mínimo de energia possível.
Atenção
Um dos objetivos da célula será também ter um grande estoque de ATP. Vimos que na via glicolítica e fermentação lática o rendimento final é de dois ATPs.
Agora vamos iniciar o estudo das outras vias metabólicas que ocorrem apenas na presença de oxigênio. A única via metabólica que se processa na ausência de oxigênio é a fermentação de carboidratos. Esta fase aeróbia que estudaremos é chamada de respiração celular. As outras fontes de energia, lipídios e proteínas, só podem ser utilizadas na presença de oxigênio, uma vez que convergem para o ciclo de Krebs e a cadeia respiratória.
Respiração celular
Nos organismos aeróbios, sob condições aeróbias, a glicólise constitui o primeiro estágio de degradação completa da glicose.
1
O piruvato é oxidado a acetil-coenzima-A (acetil-Co-A), a qual é totalmente oxidada no Ciclo de Krebs.
2
Na etapa seguinte, que consiste na cadeia respiratória, os elétrons originados nestas oxidações são passados para o O2 molecular, através de uma cadeia de transportadores de elétrons, na membrana interna da mitocôndria, formando H2O.
3
A energia liberada nas reações de transferência de elétrons permite a síntese de grande quantidade de ATP nas mitocôndrias.
O ciclo de Krebs e a cadeia respiratória são as vias finais, comum para a oxidação de moléculas alimentares (aminoácidos, ácidos graxos e glicídeos), como na figura a seguir.
Nesta aula, vamos nos concentrar em entender esse processo a partir da degradação de carboidratos. Vamos partir do piruvato que foi o produto final da via glicolítica, que estudamos em nossa aula anterior, e ver o que acontece com ele em presença de oxigênio.
 Fonte: Wikipédia
Oxidação do Piruvato
O piruvato,derivado da via glicolítica, é oxidado a acetil-CoA e CO2, pelo complexo de enzimas, piruvato-desidrogenase. A reação acontece na mitocôndria das células eucariotas e no citosol de procariotos.
A reação geral que ocorre é uma descarboxilação oxidativa, é um processo irreversível já que há a formação de uma molécula de CO2. Conforme mostra a figura abaixo.
Além do complexo multienzimático, são necessárias cinco diferentes coenzimas para que a reação se processe.
1
O pirofosfato de tiamina (TPP), derivado da tiamina (vitamina B1);
2
O dinucleotídeo de flavina-adenina (FAD), derivado da riboflavina (vitamina B2);
3
Coenzima A, derivada do pantotenato (vitamina B5);
4
Dinucleotídeo de nicotinamida-adenina (NAD), derivado da niacina (vitamina B3);
5
Lipoato.
Percebemos aqui a importância de uma alimentação equilibrada, já que quatro vitaminas do complexo B, essenciais ao organismo, estão envolvidas em uma única reação da via metabólica.
É importante destacar que o NAD e o FAD são transportadores de elétrons e serão reduzidos a NADH e FADH2 nas reações metabólicas que veremos a seguir e irão transferi-los, posteriormente, ao oxigênio na fosforilação oxidativa, e a energia livre gerada será direcionada para a síntese de ATP.
Ciclo de Krebs
Essa via metabólica também é conhecida como Ciclo dos ácidos tricarboxílicos ou ciclo do ácido cítrico. É uma via cíclica de oxidação total da glicose a CO2 e H2O, com liberação de energia. Essa rota só ocorre em condições aeróbicas e está localizada na matriz mitocondrial.
 Ciclo de Krebs | Fonte: Wikipédia
O ciclo de Krebs ocorre em oito passos fundamentais que podem ser vistos na figura a seguir. Ao final, o ciclo gera uma molécula de GTP ou ATP. Embora o saldo de ATP seja pequeno, os quatro passos de oxidação do ciclo fornecem um grande fluxo de elétrons nas coenzimas reduzidas 3NADH e 1FADH2, para cada acetil-CoA que entra no ciclo, que são direcionados para a cadeia respiratória e, esta, em sequência, leva à formação das moléculas de ATP.
A reação global do ciclo de Krebs é:
Acetil CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O 
2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP + 2H+ + CoA
O ciclo de Krebs é considerado anfibólico, servindo como via central de catabolismo de glicose, ácidos graxos e aminoácidos, mas seus intermediários também podem ser desviados e utilizados como material de partida para diversos produtos de biossíntese (setas vermelhas na figura do ciclo).
A finalidade do ciclo é oxidar a molécula de acetil-CoA derivada do metabolismo de carboidratos, proteínas e lipídios, liberando duas moléculas de CO2. Essa liberação ocorre nas duas reações descarboxilação durante o ciclo.
Como é uma via cíclica, os intermediários não são esgotados, para cada oxaloacetato consumido na via, um é produzido.
Saiba mais
Além da molécula de acetil-CoA que entra na via, qualquer composto que origine um intermediário do ciclo do ácido cítrico com quatro ou cinco carbonos, como, por exemplo, produtos de degradação de aminoácidos que veremos adiante em outras aulas, podem ser oxidados pelo ciclo, (setas em azul na figura acima direcionadas para o ciclo).
Uma vez que os intermediários do ciclo são removidos para serem precursores na biossíntese, eles são repostos por reações anapleróticas 1, como a retirada e reposição dos intermediários estão em equilíbrio dinâmico, as concentrações dos intermediários permanecem quase constantes.
Fosforilação oxidativa
A fosforilação oxidativa também é chamada cadeia respiratória ou cadeia transportadora de elétrons. É uma via que ocorre nas cristas mitocondriais (membrana interna da mitocôndria).
A oxidação da glicose, dos aminoácidos e dos ácidos graxos produz Acetil-CoA. No ciclo de Krebs, como foi visto, o Acetil-CoA é oxidado a CO2. Simultaneamente ocorre a redução das coenzimas NAD+ e FAD.
A maior parte da energia está conservada nas coenzimas reduzidas NADH e FADH2 que devem ser reoxidadas. Esse processo tem a participação dos transportadores de elétrons.
Os transportadores são proteínas integrais de membrana, que recebem e transferem os elétrons em uma sequência específica, e estão dispostos na membrana interna da mitocôndria, como observamos na figura a seguir.
 Transportadores de elétrons | Fonte: extender_01/ Shutterstock
A razão entre ATP sintetizado por ½ O2 reduzido e H2O (a razão P/O) é de cerca de 2,5 quando os elétrons entram na cadeia respiratória no complexo I (NADH), e 1,5 quando os elétrons entram na ubiquinona (FADH2).
Esses são os valores de cálculos mais modernos baseados em estudos de medidas de fluxo de prótons, mas os valores utilizados antigamente de 3ATPs para cada molécula de NADH e 2 ATPs gerados para cada molécula de FADH2 reoxidado, ainda são bastante encontrados na literatura de bioquímica e, muitas vezes, facilita os cálculos de saldo de ATP final no metabolismo.
Saiba mais
Acesse o site Wiley.com ver a simulação das etapas que ocorrem no processo de respiração celular.
Agora podemos avaliar a diferença de rendimento energético quando a célula utiliza o processo de fermentação lática (anaeróbio) no caso da obstrução da artéria do miocárdio no início da nossa aula, e de um coração sadio que realiza a via aeróbia.
Na fermentação lática, o saldo é de 2ATP, referentes ao saldo da via glicolítica. São produzidos 4 ATPs na fase de pagamento, mas 2ATPs são gastos na fase preparatória, ficamos com saldo de 2ATPs; nenhum ATP adicional é conseguido com os 2NADH, produzidos, já que o oxigênio não está disponível, e o NAD é regenerado na reação de piruvato→lactato.
Já na via aeróbia a mesma molécula de glicose pode gerar até 36 ou 38 ATPs, (dependendo do tipo de transporte do NADH do citosol para o interior da mitocôndria), se levarmos em consideração que cada NADH vai levar a produção de 3 ATPs e que cada FADH2 gera 2ATPs, como mostrado na tabela a seguir. Na aula de lipídios veremos que o rendimento energético é ainda maior.
	Etapa
	Hidrogênio
	ATP
	Glicólise
	2 NADH2
	4 ATP
	Ciclo de Krebs (2 moléculas de ácido pirúvico, 2 voltas)
	8 NADH2 2 FADH2
	2 ATP
	Cadeia respiratória
	10 NADH2
	30 ATP
	
	2 FADH2
	4 ATP
	
	Total Geral
	40 ATP
	
	Gasto 2 ATP na glicólise
	-2 ATP
	
	Saldo líquido
	38 ATP
Video
Assista ao vídeo Cellular Respiration Glycolysis, Krebs cycle, Electron Transport, que resume as etapas desde a via glicolítica até a respiração celular. Neste vídeo, é possível selecionar uma legenda automática para o português.
Metabolismo do Glicogênio
Glicogenólise
Essa via refere-se ao catabolismo do glicogênio, ou seja, quando há pouca oferta de glicose no sangue, o glicogênio armazenado no fígado e no músculo é degradado em glicose.
O fígado é responsável em manter a glicemia; durante o jejum, quando a quantidade de glicose no sangue diminui, o fígado repõe os estoques. Entretanto, o músculo realiza a glicogenólise apenas para consumo próprio.
Esta via é controlada pelo hormônio glucagon (sem estresse) e pela adrenalina (com estresse).
A glicogenólise ocorre em três etapas fundamentais. Os grânulos de glicogênio ficam armazenados juntamente com as enzimas envolvidas em seu metabolismo.
· Encurtamento de cadeias
As moléculas de glicose são retiradas sucessivamente das extremidades não redutoras das ramificações da estrutura do glicogênio. Várias unidades são removidas simultaneamente. Esse processo é realizado pela enzima glicogênio fosforilase, que quebra as ligações alfa-1,4 entre as moléculas de glicose. A quebra ocorre até que sobrem quatro glicoses antes da ramificação.
· Remoção das ramificações
Feita por uma transferase, que transfere três glicoses da ramificação para a cadeia principal. A glicogênio fosforilase volta a agir quebrando as ligações alfa-1,4.
· Hidrólise da ligação alfa-1,6
A quebra da ligação alfa-1,6, na ramificação é processada pela enzima amilo-alfa–1,6–glicosidase.
O produto final da via é a glicose-1-fosfato. Para ser liberada para o sangue, a via deve estar sem o fosfato. A enzima fosfoglicomutase transforma a glicose-1-fosfato em glicose-6-fosfato.
Atenção
No fígado, a última etapa é a ação da enzimaglicose-6-fosfatase que retira o fosfato da glicose (defosforilação) e ela pode atravessar a membrana da célula pelo transportador GLUT2 e chegar ao sangue. A diferença sutil entre músculo e fígado está justamente nesse ponto. O músculo não possui a glicose-6-fosfatase. Logo, a glicose proveniente do glicogênio será utilizada dentro do próprio tecido para obtenção de energia para a contração muscular.
Glicogênese
Esta via refere-se à síntese de glicogênio no músculo e fígado. Está ativada quando a oferta de glicose no sangue é alta e há grande quantidade de ATP disponível no organismo após uma refeição, por exemplo.
O ponto de partida da síntese de glicogênio é a glicose-6-fosfato. Em qualquer síntese, anabolismo, há gasto de energia. Ela é convertida em glicose-1-fosfato e, na sequência, a UDP-glicose que é o substrato da enzima glicogênio sintase, de forma a doar resíduos de glicose para a extremidade não redutora do glicogênio. O ponto de ramificação alfa-1,6 é realizado por outra enzima.
Um fragmento de glicogênio pode servir como um iniciador em células cujos depósitos não estão totalmente exauridos. A enzima glicogênio sintetase só promove adição de UDP-Glicose se a cadeia possuir no mínimo quatro unidades. Na ausência de iniciador, a proteína glicogenina atua como um receptor de resíduos de glicose.
Gliconeogênese
Como o nível de glicose no sangue é mantido relativamente constante apesar de grandes variações na captação e na utilização da glicose?
1
Baixos níveis de glicose (hipoglicemia) – coma e morte;
2
Altos níveis de glicose (hiperglicemia) – desidratação; coma hiperglicêmico e hiperosmótico.
A gliconeogênese é uma via em que há produção de glicose a partir de precursores não glicídicos. A reserva hepática de glicogênio/glicose dura de 10-18 horas no jejum. Na ausência de ingestão e sem reservas, o organismo produz glicose a partir do lactato e do glicerol, provenientes dos triglicerídeos, ou de alfa-acetoácidos, como o piruvato, proveniente dos aminoácidos, ou de oxaloacetato, ou qualquer composto que possa ser convertido a um desses intermediários.
Esse processo que ocorre no fígado, principalmente, rins e intestino, em menor proporção, gera glicose para o uso por tecidos que, preferencialmente, ou unicamente, utilizam glicose como fonte de energia, como cérebro e eritrócitos. Ele permite a manutenção dos níveis de glicose no sangue, mesmo após toda a glicose da dieta ter sido absorvida e totalmente oxidada.
Quando observamos a figura a seguir, que compara as vias da glicólise e gliconeogênese, aparentemente uma é o inverso da outra, mas três etapas da via glicolítica não são reversíveis e, portanto, são contornadas por outras etapas na gliconeogênese. As enzimas das etapas diferentes estão indicadas na figura.
 Comparação entre as vias da glicólise e gliconeogênese | Fonte: Wikipédia
É importante destacar que animais não podem converter acetil-CoA, derivado dos ácidos graxos em glicose.
A glicólise e a gliconeogênese são simultaneamente reguladas para que não ocorram ao mesmo tempo. Na aula de integração metabólica discutiremos também o Ciclo de Cori, que é uma cooperação metabólica entre fígado (gliconeogênese) e músculo esquelético (fermentação lática).
Atividade
1. Algumas reações intermediárias de vias metabólicas no nosso organismo são termodinamicamente desfavoráveis, em princípio não tenderiam a acontecer. Qual a solução encontrada pelos organismos para resolver esse problema?
Nas vias metabólicas, as reações endodérmicas estão acopladas a outras reações que fornecem energia (exotérmicas) ou a quebra de moléculas de ATP, que fornecem energia ao sistema e impulsionando as reações termodinamicamente desfavoráveis.
Gabarito sugerido
2. Para tornar coerente o esquema a seguir, você deve substituir os números 1, 2 e 3 respectivamente por:
a) Glicólise, fermentação e respiração.
b) Piruvato, quimiossíntese, fotossíntese.
c) Glicólise, fotossíntese e quimiossíntese.
d) Piruvato, respiração e fermentação.
e) Glicólise, respiração e fotossíntese.
Gabarito comentado
A resposta correta é a alternativa A. A respiração celular ocorre em presença de O2, engloba o ciclo de Krebs e a fosforilação oxidativa, com produção de CO2, água e ATP.
3. Explique por que a glicogenólise na fibra muscular esquelética gera moléculas de glicose que podem ser utilizadas apenas no próprio tecido, diferentemente do que ocorre no fígado, que repõe a quantidade de glicose no sangue.
No tecido hepático encontramos a enzima glicose-6-fosfatase que defosforila a molécula de glicose (retira o grupo fosfato) e, portanto, a molécula de glicose pode atravessar a membrana pelo transportador GLUT2, repondo a glicemia. O músculo esquelético não possui essa enzima, portanto a glicose será utilizada na via glicolítica no próprio tecido para obtenção de energia, já que fosforilada não consegue ser transportada pela membrana.