BIOENERGÉTICA

Prévia do material em texto

BIOENERGÉTICA 
INTRODUÇÃO AO METABOLISMO 
Segundo uma das leis fundamentais da física, a energia não é criada e nem destruída, no entanto, ela 
pode ser transformada de um tipo em outro. As transformações de energia estão relacionadas a alterações 
químicas que ocorrem nas células. Estas transformações relacionam-se com o metabolismo. 
METABOLISMO – é a atividade química total de um organismo vivo e a cada instante consiste de milhares de 
reações químicas (Alberts et al., 2008). 
Uma reação relevante é aquela que faz uso de um substrato (moléculas orgânicas) disponível e o converte em 
um produto útil (molécula de ATP). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
METABOLISMO ENERGETICO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ADENOSINA TRIFOSFATO – ATP 
O papel celular do ATP é de um transmissor de energia e não de 
um reservatório de energia livre. A quantidade de ATP em uma célula é em 
geral suficiente apenas para suprir suas necessidades de energia livre 
durante 1 minuto ou dois. 
A molécula de ATP possui 
a capacidade de mudar a 
conformação de outras 
moléculas, doando o 
grupamento fosfato. 
 
 
O papel celular do ATP 
 Fonte de energia em alguns processos impulsionados por mudanças conformacionais 
 Fornece energia para reações anabólicas (síntese de macromoléculas) 
 Transporte de moléculas e íons através das membranas contra gradientes de concentração e de potencial 
elétrico 
REAÇÕES DE OXIDAÇÃO E REDUÇÃO 
 Numa reação redox, o reagente A é oxidado e o 
agente B é reduzido. No processo, A perde elétrons e 
B ganha elétrons. Um próton pode ser transferido junto 
com um elétron. Assim, o que é realmente transferido 
é um átomo de hidrogênio. 
 Os elétrons são partículas de carga negativa que 
ficam girando ao redor do núcleo atômico. 
ROTAS DE ENERGIA EM EUCARIOTOS 
Externamente à mitocôndria: glicólise e fermentação (citosol) 
No interior da mitocôndria: membrana interna - oxidação do piruvato, cadeia respiratória, matriz – ciclo do 
ácido cítrico. 
Quais moléculas podem ser oxidadas para gerar energia? 
1 – Carboidratos 
2 – Lipídios 
3 – Proteínas 
 A respiração celular ocorre em 3 estágios: 
1 – Nutrientes (moléculas orgânicas) são oxidados e geram Acetil-CoA 
(Glicólise, ß-oxidação e oxidação de aminoácidos) coenzimas são 
reduzidas; 
2 – Acetil-CoA é oxidado a CO2 no Ciclo de Krebs coenzimas são 
reduzidas; 
3 – Coenzimas são oxidadas, transferindo os elétrons para O2, formando 
água e armazenando a energia envolvida na forma de ATP, na Cadeia 
Respiratória (Cadeia de Transporte de elétrons + Fosforilação Oxidativa) 
GLICÓLISE 
Na glicólise uma molécula de glicose e degradada em uma série de reações 
catalisadas por enzimas, gerando duas moléculas do composto de três 
átomos de carbono, o piruvato. Durante as reações sequenciais da glicólise, 
parte da energia livre da glicose e conservada na forma de ATP e NADH. 
 Ocorre no citoplasma 
 Quebra da glicose em piruvato 
 Etapa comum aos organismos aeróbios e anaeróbios 
 
Durante a fase preparatória não há 
a formação de ATP, apenas gastos 
de 2 moléculas de ATP. 
1º gasto – aprisionar a glicose 
dentro da célula, adicionando um 
grupamento fosfato no carbono 6. A 
fosforilação ocorre em C-6, já que 
C-1 é um grupo carbonil e não pode 
ser fosforilado. 
 
 
 
 
 
 
A quebra da glicose, formada por seis átomos de carbono, em duas moléculas de piruvato, cada uma com 
três carbonos, ocorre em 10 etapas, sendo que as primeiras 5 constituem a fase preparatória. Nessas reações, 
a glicose é inicialmente fosforilada no grupo hidroxil ligado ao C-6 (etapa 1). A D-glicose-6--fosfato assim formada 
é convertida a D-frutose-6-fosfato (etapa 2), a qual é novamente fosforilada, desta vez em C-1, para formar D-
frutose-1,6-bifosfato (etapa 3). Nas duas reações de fosforilação, o ATP é o doador de grupos fosforil. 
A frutose-1,6-bifosfato e dividida em duas moleculas de três carbonos, a di-hidroxiacetona-fosfato e o 
gliceraldeido-3-fosfato (etapa 4). A di-hidroxiacetona-fosfato e isomerizada a uma segunda molécula de 
gliceraldeido-3-fosfato (etapa 5), finalizando a primeira fase da glicólise. Na fase preparatória da glicólise, a 
energia do ATP e consumida, aumentando o conteúdo de energia livre dos intermediários, e as cadeias de 
carbono de todas as hexoses metabolizadas são convertidas a um produto comum, o gliceraldeido-3-fosfato. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Cada molécula de gliceradeido-3-fosfato e oxidada e fosforilada por fosfato inorgânico (não por ATP) para 
formar 1,3-bifosfoglicerato (etapa 6). Ocorre liberação de energia quando as duas moléculas de 1,3-
bifosfoglicerato são convertidas a duas moléculas de piruvato (etapas 7 a 10). O rendimento líquido são duas 
moléculas de ATP por molécula de glicose utilizada, já que duas moléculas de ATP foram consumidas na fase 
preparatória. A energia também é conservada na fase de pagamento com a formação de duas moléculas do 
transportador de elétrons NADH por molécula de glicose. 
FUNÇÕES DA VIA GLICOLÍTICA 
1.Transformar glicose em piruvato 
2.Sintetizar ATP com ou sem oxigênio 
3.Preparar a glicose para se degradada totalmente em CO2 e H2O 
4.Permitir a degradação parcial da glicose em anaerobiose 
5.Produzir alguns intermediários que serão utilizados em diversos processos biossintéticos. 
 A fosforilação da glicose garante que os intermediários da via permaneçam na célula. 
 
NAD+ - nicotinamida 
adenina dinucleotídeo 
FADH2 – flavina 
adenina dinucleotídeo 
METABOLISMO AERÓBIO E ANAERÓBIO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
METABOLISMO ANAERÓBICO 
Como os organismos vivos surgiram inicialmente em uma atmosfera sem oxigênio, a quebra anaeróbia da glicose 
provavelmente seja o mais antigo mecanismo biológico de obtenção de energia a partir de moléculas orgânicas 
combustíveis. 
• Fermentação: É uma rota bioquímica onde ocorre a regeneração do NAD+, redução do piruvato a lactato ou 
etanol, mantendo o processo continuado da glicólise em condições anaeróbicas. É uma garantia de que os 
NADH serão regenerados para continuar o processo. 
Fermentação lática e alcoólica: Em ambos os casos (fermentação alcoólica e lática), os dois elétrons (e um 
próton) do NADH são transferidos ao carbono central do piruvato. Todavia, no caso da fermentação alcoólica, a 
reoxidação do NADH é precedida pela liberação de dióxido de carbono (descarboxilação). 
Leveduras e outros microrganismos fermentam 
glicose em etanol e CO2, em vez de lactato. A glicose e 
convertida a piruvato pela glicólise, e o piruvato e 
convertido a etanol e CO2 em um processo de duas etapas: 
Na primeira etapa, o piruvato e descarboxilado em uma 
reação irreversível catalisada pela piruvato-
descarboxilase. Essa reação e uma descarboxilação 
simples e não envolve a oxidação do piruvato. Na segunda 
etapa, o acetaldeído é reduzido a etanol pela ação da 
álcool-desidrogenase, com o poder redutor fornecido pelo 
NADH derivado do gliceraldeido-3-fosfato (glicólise). 
A piruvato-descarboxilase está presente na 
levedura utilizada na fabricação de cervejas e pães 
(Saccharomyces cerevisae). 
O CO2 produzido pela piruvato descarboxilase na 
levedura da cerveja é responsável pela efervescência característica. Na panificação o CO2 liberado pela piruvato-
descarboxilase, faz a massa crescer. 
 
 
 
 
 
Quando tecidos animais não podem ser supridos 
com oxigênio suficiente para realizar a oxidação aeróbia 
do piruvato e do NADH produzidos na glicólise, NAD+ e 
regenerado a partirde NADH pela redução do piruvato a 
lactato. Alguns tecidos e tipos celulares que como os 
eritrócitos (que não possuem mitocôndrias, e, portanto, 
não podem oxidar piruvato até CO2), produzem lactato a 
partir da glicose mesmo em condições aeróbicas. A 
redução do piruvato por essa via e catalisada pela 
lactato-desidrogenase. 
O lactato formado pelos músculos esqueléticos 
em atividade pode ser reciclado; ele é transportado pelo 
sangue até o fígado, onde é convertido a glicose durante 
a recuperação da atividade muscular exaustiva. 
NADH doa elétrons para o piruvato (reduz o puruvato), 
quebrando as ligações duplas do piruvato e formando 
lactato. 
Fermentação no rúmen – Ruminantes 
 Pré-estômagos 
 Simbiose com microrganismos que fermentam alimentos fibrosos produzindo AGVs como principal fonte 
energética dos ruminantes. 
O fato dos ruminantes possuírem câmeras 
fermentativas em seu trato digestivo lhes conferem 
maior eficiência no aproveitamento de alimentos 
fibrosos (e dos produtos da fermentação), 
principalmente nos animais mantidos em pastejo. 
Destino do propionato 
 Utilizado pelas células das paredes dos pré-
estômagos 
 Captado pelo fígado, sendo o principal precursor 
da glicose no metabolismo dos ruminantes 
(gliconeogênese). 
VISÃO GERAL DA RESPIRAÇÃO CELULAR 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CARACTERIZAÇÃO DA MITOCÔNDRIA 
 A maioria das bactérias atuais respiram como as mitocôndrias e provavelmente as células eucarióticas 
atuais são descendentes de anaeróbicos primitivos que sobreviveram em um mundo que se tornou rico em 
oxigênio. 
CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO OU CICLO DE KREBS 
O ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs, ciclo do ácido tri carboxílico é uma via catabólica central e 
praticamente universal por meio da qual os compostos derivados da degradação de carboidratos, gorduras e 
proteínas são oxidados a CO2, com a maior parte da energia da oxidação temporariamente armazenada nos 
transportadores de elétrons FADH2 e NADH. Durante o metabolismo aeróbio, esses elétrons são transferidos ao 
O2, e a energia do fluxo de elétrons é capturada na forma de ATP. 
Funções do Ciclo de Krebs 
 Oxidar a acetil-CoA em CO2 e H2O 
 Fornecer elétrons para a cadeia respiratória 
 Grande gerador de energia (ATP) 
 Intermediários são precursores de compostos bioquimicamente importantes 
Características do Ciclo de Krebs 
 Ocorre na matriz mitocondrial 
 É um ciclo metabólico – oxaloacetato (inicia a via) é regenerado no final do ciclo. 
 O ciclo de Krebs ocorre em aerobiose 
 É comum ao metabolismo de lipídios, glicídios e proteínas 
 Via anfibólica – degrada a acetil-CoA em CO2 e água (catabolismo) e intermediários são utilizados para 
a síntese de outros compostos (anabolismo). 
Reações do Ciclo de Krebs 
 
 
 
 
 
 
PRODUÇÃO DE acetil-coA 
Antes de entrarem no Ciclo de Krebs, os 
esqueletos de carbono dos açúcares e ácidos graxos 
são convertidos ao grupo acetil da acetil-CoA, a 
forma na qual a maioria dos combustíveis entra no 
ciclo. 
A acetil-CoA entra no ciclo do ácido cítrico (na 
mitocôndria de eucariotos, no citosol em bactérias) 
quando a citrato-sintase catalisa sua condensação 
com o oxaloacetato para a formação de citrato. 
Em sete reações sequenciais, incluindo duas descarboxilações, o ciclo do ácido cítrico converte citrato a 
oxaloacetato e libera dois CO2. A via é cíclica, de modo que os intermediários não são exauridos; para cada 
oxaloacetato consumido na via, um é produzido. 
Para cada acetil-CoA oxidada pelo ciclo do ácido cítrico, o ganho de energia consiste em três moléculas 
de NADH, uma de FADH2 e um nucleosídeo trifosfatado (ATP ou GTP). 
Além da acetil-CoA, qualquer composto que origine um intermediário do ciclo do ácido cítrico com quatro 
ou cinco carbonos – por exemplo, os produtos da degradação de muitos aminoácidos – podem ser oxidados pelo 
ciclo. 
IMPORTÂNCIA DA GLICÓLISE E DO CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO 
A glicólise e o ciclo do ácido cítrico fornecem os 
precursores necessários para a síntese de muitas 
moléculas biológicas. 
REAÇÕES ANAPLERÓTICAS 
Quando os intermediários do Ciclo de Krebs são 
desviados do ciclo do ácido cítrico para outras vias, eles 
são repostos por algumas reações anapleróticas, que 
produzem intermediários de quatro carbonos por meio da 
carboxilação de compostos de três carbonos; essas 
reações são catalisadas por piruvato-carboxilase, PEP-
carboxicinase, PEP-carboxilase e enzima málica. Enzimas 
que catalisam carboxilações comumente utilizam a biotina 
para ativar o CO2 e transportá-lo a aceptores, como 
piruvato ou fosfoenolpiruvato. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA: A descoberta em 1948 por Eugene Kennedy e Albert Lenhinger de que as 
mitocôndrias são os sítios da fosforilação oxidativa em eucariotos marcou o início da fase moderna dos estudos 
de transduções biológicas de energia. A fosforilação oxidativa é a culminação do metabolismo produtor de 
energia nos organismos aeróbicos. A fosforilação oxidativa envolve a redução do O2 a H2O com elétrons doados 
pelo NADH e FADH2. Este processo ocorre nas cristas mitocondriais. 
Transportadores de elétrons: São complexos multiproteicos associados a grupos prostéticos, componentes 
não proteicos essenciais as funções catalíticas de certas enzimas. 
 Complexo I - NADH ubiquinona-desidrogenase 
 Complexo II - succinato desidrogenase 
 Complexo III - citocromo c-oxidorredutase 
 Complexo IV - citocromo oxidase 
COMPLEXO I 
 Cofatores – átomos de ferro e enxofre. 
 Ubiquinona (Q) – proteína pequena localizada dentro da membrana. 
 Ubiquinol (QH2) – forma reduzida 
 
 
 
 
COMPLEXO II – recebe os elétrons do FAD 
 No complexo I a ubiquinona foi reduzida a ubiquinol pelo NAD, no complexo II pelo 
FAD. 
 
 
 
COMPLEXO IV 
 
 
 
 
 
 
CARACTERIZAÇÃO DA ATP – SINTASE – SÍNTESE DE ATP 
A ATP – sintase é um complexo enzimático que sintetiza o ATP na membrana mitocondrial interna. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TEORIA QUIMIOSMÓTICA 
A teoria quimiosmótica postula que as diferenças nas concentrações transmembrana de prótons são 
centrais para a transdução de energia. 
Obedece ao gradiente de concentração – mais concentrado no espaço intermembrana, menos concentrado nas 
cristas. O retorno de H+ fornece energia para a ATP sintase sofrer uma mudança conformacional, que transforma 
ADP em ATP pela adição de um fosforo. 
BALANÇO ENERGÉTICO 
 
 
 
 
 
Produto final = 36 ou 38 ATP 
A quantidade de NADH da glicólise irá variar em função dos sistemas circulares ou lançadeiras. 
SISTEMAS CIRCULARES OU LANÇADEIRAS – evitar que os NADH fiquem dispersos no citosol 
 Circuito malato-aspartato - mitocôndrias do rim, fígado e coração. 
 Circuito do glicerol-3- fosfato – mitocôndrias do músculo esquelético e encéfalo. 
LANCADEIRA MALATO- ASPARTATO 
As mitocôndrias, 
assim como as bactérias 
gram-negativas, têm duas 
membranas. A membrana 
mitocondrial externa é 
prontamente permeável a 
moléculas pequenas e a 
íons, que se movem 
livremente por canais 
transmembrana, formados 
por uma família de 
proteínas integrais de 
membrana chamadas de 
porinas. A membrana 
interna é mais difícil de ser 
ultrapassada 
 
 
 
Oxidação do NAD+ redução do oxalacetato  formação do malato joga pra dentro da mitocôndria 
Objetivo: Garantir que os NAD formados na glicólise (citosol) sejam transportados para o complexo I (cristas 
mitocondriais) 
LANCADEIRA GLICEROL-3-FOSFATO