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1 BIOQUÍMICA INTRODUÇÃO AO METABOLISMO METABOLISMO DE CARBOIDRATOS (GLICÓLISE, FERMENTAÇÕES) AULA 1 Prof. Greice Montagner INTRODUÇÃO AO METABOLISMO “O metabolismo é uma atividade celular altamente coordenada na qual muitos sistemas enzimáticos (vias metabólicas) que atuam de forma cooperativa para: (1) obter energia química, seja por captação de energia solar, seja por degradação de nutrientes ricos em energia, obtidos do meio ambiente; (2) converter as moléculas dos nutrientes em moléculas com características próprias de cada célula, incluindo-se os precursores de macromoléculas; (3) polimerizar precursores monoméricos em macromoléculas tais como proteínas, ácidos nucléicos e polissacarídeos; (4) sintetizar e degradar biomoléculas necessárias a funções celulares especializadas, tais como lipídeos de membranas, mensageiros intracelulares e pigmentos.” 2 INTRODUÇÃO AO METABOLISMO Organismos estão longe do equilíbrio termodinâmico Contínuo suprimento de energia e de compostos químicos Tipos de organismos vivos AUTOTRÓFICOS: bactérias fotossintéticas, algas verdes, plantas vasculares usam o CO2 da atmosfera como única fonte de carbono a partir do qual formam todas as suas biomoléculas HETEROTRÓFICOS: animais multicelulares, microrganismos não conseguem usar o CO2 atmosférico e devem obter carbono a partir de moléculas orgânicas 3 INTRODUÇÃO AO METABOLISMO Autotróficos obtém energia da luz solar fotossintéticos Heterotróficos obtém energia da degradação de compostos orgânicos Ciclo do carbono e do oxigênio Ciclo do nitrogênio 4 A reciclagem de C, O e N depende do equilíbrio adequado entre as atividades dos produtores (autotróficos) e dos consumidores (heterotóficos) em nossa biosfera. INTRODUÇÃO AO METABOLISMO 5 INTRODUÇÃO AO METABOLISMO 6 METABOLISMO Soma de todas as transformações químicas que ocorrem em uma célula Transformações que estruturam e dão energia ao organismo vivo Ocorrem por uma série de reações catalisadas enzimaticamente, as quais constituem as vias metabólicas O precursor é convertido em produto por meio de uma sério de intermediários denominados metabólitos 7 METABOLISMO Catabolismo Metabolismo de quebra Nutrientes orgânicos sofrem degradação, sendo convertidos em produtos menores e mais simples Vias de produção de energia Libera energia, unindo o ADP ao Pi para formar ATP Anabolismo ou biossíntese Vias que usam energia para a síntese de compostos Moléculas precursoras pequenas são unidas para formar moléculas maiores Usa energia do ATP, o qual se tranforma em ADP e Pi 8 9 RELAÇÃO ENERGÉTICA ENTRE AS VIAS ANABÓLICAS E CATABÓLICAS PRINCÍPIOS DE BIOENERGÉTICA A transformação da energia biológica obedece as leis da Termodinâmica Quais são as leis da termodinâmica? Primeira lei da termodinâmica: Princípio da conservação da Energia “A energia pode mudar de forma ou ser transportada mas não pode ser criada ou destruída” Segunda Lei: A desordem do universo sempre tende a aumentar “Em todos os processos naturais a entropia (grau de desorganização) do universo sempre tende a aumentar” 10 PRINCÍPIOS DE BIOENERGÉTICA As células necessitam de fontes de energia livre Como ocorre o fluxo de energia entre o ambiente e os organismos vivos? Através de um conjunto de reações químicas produtoras ou consumidoras de energia os organismos conseguem ter suas características ou funções preservada 11 Reações químicas especiais responsáveis pelo fluxo de energia nos organismos vivos Transferência de grupos fosforil - ATP ATP como moeda energética 12 PRINCÍPIOS DE BIOENERGÉTICA Transferência de elétrons – reações de óxido-redução O fluxo de elétrons pode realizar trabalho Reações envolvem a perda de elétrons por uma determinada espécie química, que sofre oxidação, e captação desses elétrons por outra espécie, que é reduzida 13 PRINCÍPIOS DE BIOENERGÉTICA NAD+ FAD INTRODUÇÃO AO METABOLISMO DOS CARBOIDRATOS 14 DIGESTÃO DOS CARBOIDRATOS (ANIMAIS) Hidrólise das ligações glicosídicas Objetivo: transformá-los em monossacarídeos É encerrado quando todas as ligações glicosídicas dos carboidratos ingeridos foram hidrolisadas Monossacarídeos: corrente sanguínea 15 ENTRADA DA GLICOSE PARA DENTRO DA CÉLULA Proteína GLUT 16 17 PRINCIPAIS VIAS DE UTILIZAÇÃO DE GLICOSE GLICÓLISE: VISÃO GERAL Via catabólica Central: Oxidação da molécula da glicose a piruvato (2 moléculas) Produz energia (ATP e NADH) e também diversos intermediários metabólicos Todas as reações são catalisadas por enzimas específicas Ocorre no citoplasma das células 2 fases, 10 etapas 18 GLICÓLISE É a via na qual, na maioria das células, ocorre o maior fluxo de carbono. Em certos tipos de tecidos e tipos celulares de mamíferos (eritrócitos, medula renal, cérebro e esperma, por exemplo), a glicólise é a principal ou única fonte de energia metabólica. Alguns tecidos vegetais modificados para o armazenamento de amido, como os tubérculos da batata e alguns vegetais adaptados para crescerem em áreas regularmente inundadas pela água (agrião, por exemplo), derivam a maior parte de sua energia da glicólise. 19 GLICÓLISE Intermediários Fosforilados: São impedidos de sair da célula (P) Conservação da energia Podem se ligar ao sítio ativo das enzimas já que formam complexo com o Mg2+ Podem auxiliar na redução da energia de ativação enzimática Energia remanescente no Piruvato: Diversos destinos (aeróbico e anaeróbico) 20 21 GLICÓLISE Fase Preparatória: 2 fosforilações Quebra de 1 hexose em 2 trioses ATP é investido para formar compostos com maior energia livre de hidrólise Fase do Pagamento: Armazenamento da energia livre na forma de ATP Eficiência na recuperação da energia investida Produção de NADH 22 23 1ª ETAPA: FOSFORILAÇÃO DA GLICOSE 24 HEXOQUINASE: inibida por glicose 6-fosfato [ ] ↑ • A glicose é fosforilada por ATP para formar um açúcar fosfato. • A carga negativa do fosfato previne a passagem do açúcar através da membrana plasmática, prendendo a glicose dentro da célula. 2ª ETAPA: CONVERSÃO DA GLICOSE-6-FOSFATO EM FRUTOSE-6-FOSFATO 25 • Um rearranjo prontamente da estrutura química (isomerização) desloca o oxigênio carbonílico do C1 para o C2, formando cetose a partir de uma aldose. 26 2ª ETAPA: CONVERSÃO DA GLICOSE-6-FOSFATO EM FRUTOSE-6-FOSFATO 3ª ETAPA: FOSFORILAÇÃO DA FRUTOSE 6- FOSFATO EM FRUTOSE 1,6-BIFOSFATO 27FOSFOFRUTOQUINASE-1: Inibida por [ ] ↑ de ATP, citrato Ativada por [ ] ↑ de AMP, ADP, frutose 2,6-biP 4ª ETAPA: CLIVAGEM DA FRUTOSE 1,6-BIFOSFATO 28• O açúcar de 6C é clivado para produzir duas moléculas de 3C. Apenas o gliceraldeído 3-fosfato pode prosseguir imediatamente através da glicólise. 5ª ETAPA: INTERCONVERSÃO DAS TRIOSES FOSFATO 29 • Última reação da fase preparatória • O outro produto da etapa 4, diidroxicetona fosfato é isomerizado para formar gliceraldeído 3-fosfato. 6ª ETAPA: OXIDAÇÃO DO GLICERALDEÍDO 3- FOSFATO EM 1,3-BISFOSFOGLICERATO 30 • 1ª Reação conservadora de energia • As duas moléculas de gliceraldeído 3-fosfato são oxidadas. A fase geradora de energia da glicólise se incia, assim que o NADH e uma nova ligação anidrido se alta energia ao fosfato são formadas. 7ª ETAPA: TRANSFERÊNCIA DO FOSFATO DO 1,3- BIFOSFOGLICERATO PARA O ADP 31 • A transferência à ADP do grupamento fosfato de alta energia que foi gerado na etapa anterior forma ATP. 8ª ETAPA:CONVERSÃO DO 3-FOSFOGLICERATO EM 2-FOSFOGLICERATO 32• A ligação éster fosfato remanescente no 3-fosfoglicerato, a qual possui uma energia livre de hidrólise relativamente baixa é deslocada do C3 para o C2 para formar 2-fosfoglicerato. 9ª ETAPA: DESIDRATAÇÃO DO 2-FOSFOGLICERATO EM FOSFOENOLPIRUVATO 33• A remoção da água do 2-fosfoglicerato cria uma ligação enol fosfato de alta energia. 10ª ETAPA: TRANSFERÊNCIA DO GRUPO FOSFORIL DO FOSFOENOLPIRUVATO PARA ADP 34 PIRUVATO QUINASE: Inibida por [ ] ↑ de ATP, acetil-CoA, ácidos graxos de cadeia longa • 2ª Reação conservadora de energia • A transferência ao ADP do grupamento fosfato que foi gerado na etapa anterior forma ATP completando a glicólise. BALANÇO ENERGÉTICO DA GLICÓLISE ENZIMA ATP NADH ATP Total TOTAL ATPs 35 36 OUTROS MONOSSACARÍDEOS ENTRAM NA VIA GLICOLÍTICA EM DIVERSOS PONTOS 37 CONVERSÃO DA GALACTOSE EM GLICOSE-1-FOSFATO REAÇÕES ANAERÓBICAS DO PIRUVATO: FERMENTAÇÕES Em condições de hipóxia (assim como no músculo esquelético muito ativo, nos tecidos vegetais submersos, tumores sólidos, bactérias lácticas) o NADH gerado pela glicólise não pode ser reoxidado pelo O2. A falha na regeneração de NAD+ deixaria a célula carente de aceptor de elétrons para a oxidação de gliceraldeído-3P, e as reações geradoras de energia da glicólise cessariam. 38 FERMENTAÇÃO LÁCTICA Conversão do piruvato a lactato no músculo (Fermentação láctica) Cada molécula de glicose que entra na via produz 2 moléculas de piruvato e consequentemente duas moléculas de lactato Lactato pode ser reciclado para formar piruvato e glicose pela gliconeogênese 39 Conversão do piruvato a lactato no músculo 40 FERMENTAÇÃO LÁCTICA BALANÇO ENERGÉTICO DA FERMENTAÇÃO LÁCTICA A PARTIR DE UMA MOLÉCULA DE GLICOSE ENZIMA ATP NADH ATP Total TOTAL 2 ATPs 41 FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA Produção de etanol 2 etapas 42 BALANÇO ENERGÉTICO DA FERMENTAÇÃO ALCÓOLICA A PARTIR DE UMA MOLÉCULA DE GLICOSE ENZIMA ATP NADH ATP Total TOTAL 2 ATPs 43 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS O conteúdo desta aula foi baseado nas seguintes referências: - NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de bioquímica de Lehninger. 6ª ed. Porto Alegre: Artmed, 2014. (Capítulo 13 e 14) - CAMPBELL, M.K.; FARREL, S.O. Bioquímica. 2ª ed. São Paulo: Cengage Learning. (Capítulo 15 e 17) - RODWELL, V.W.; et al. Bioquímica ilustrada de Harper. 5ª ed. Porto Alegre: Artmed, 2017. (Capítulo 11 e 17) - MOTTA, V.T. Bioquímica. Caxias do Sul: Educs, 2005. (Capítulo 7 e 9) - MARZZOCO, A.; TORRES, B.B. Bioquímica básica. 4ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2017. (Capítulo 8 e 9) - VOET, D.; et al. Fundamentos de bioquímica. 4ª ed. Porto alegre: Artmed, 2014. (Capítulo 14 e 15) 44