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BCM Introdução ao Metabolismo Organismos vivos necessitam de aporte de energia, para: trabalho mecânico na contração muscular e movimentos celulares; transporte ativo de moléculas e íons; síntese de macromoléculas etc. 1. Definição: a soma de todas as transformações químicas que ocorrem em uma célula ou em um organismo. Essas transformações podem ser para: ▪ Obter energia química degradando nutrientes energeticamente ricos obtidos do meio ambiente. ▪ Sintetizar e degradar as biomoléculas necessárias para as funções celulares especializadas, como lipídeos de membrana, mensageiros intracelulares e pigmentos. 2. Vias metabólicas: uma série de reações químicas catalisadas por enzimas. Ocorre em cadeia. Cada uma das etapas consecutivas em uma via metabólica produz uma pequena alteração química específica, em geral a remoção, a transferência ou a adição de um átomo particular ou um grupo funcional. O composto A é convertido em um produto B por meio de uma série de intermediários metabólicos chamados de metabólitos: 3. Intermediários metabólicos: são os precursores das reações químicas subsequentes numa via metabólica. 4. Anabolismo e catabolismo: As reações que transformam combustíveis em energia celular são chamadas de reações catabólicas ou, mais em geral, catabolismo. As reações que demandam energia, como a síntese de glicose, gorduras ou DNA, são ditas reações anabólicas ou anabolismo. As formas úteis de energia que são produzidas no catabolismo são empregadas no anabolismo para produzir estruturas complexas a partir das mais simples ou estados ricos em energia a partir de estados pobres em energia. Algumas vias podem ser anabólicas ou catabólicas, dependendo das condições energéticas da célula. Elas são denominadas vias anfibólicase um exemplo é o ciclo de Krebs. Exemplo: a glicólise é uma via metabólica catabólica. 5. Variação de energia livre nas reações químicas: AG: energia produto – energia do substrato AG: 5 – 10 = -5 → reação exergônica (o produto tem menos energia que o substrato – a energia foi liberada). AG: 10 – 5 = 5 → reação endergônica (o produto tem mais energia do que o substrato – a energia foi adicionada). Exemplo: AG da glicólise: 991Kj . mol-1 ou 23kcal . mol-1 Fase de degradação do metabolismo: moléculas são convertidas em produtos finais menores e mais simples. Vias catabólicas liberam energia: parte dessa energia é conservada na forma de ATP e de transportadores de elétrons reduzidos; o restante é perdido como calor. Fase de biossíntese: precursores pequenos e simples formam moléculas maiores e mais complexas. Vias anabólicas necessitam de fornecimento de energia, geralmente na forma de potencial de transferência do grupo fosforil do ATP e do poder redutor de NADH, NADPH e FADH2. transportadores /carreadores de elétrons 6. O ATP: trifosfato de adenosina. Mas como as células conseguem extrair energia dos alimentos? ATP é a forma universal de energia livre usada pelos sistemas biológicos. Parte da energia livre proveniente da oxidação dos alimentos é transformada nesta molécula altamente acessível, que atua como doadora de energia livre na maioria dos processos que requerem energia, como movimento, transporte ativo e biossínteses. A hidrólise direta de ATP, uma reação exergônica, é a fonte de energia em alguns processos impulsionados por mudanças conformacionais, mas em geral não é a hidrólise de ATP e sim a transferência de um grupo fosforil, pirofosforil ou adenilil do ATP a um substrato ou a uma enzima que acopla a energia da quebra do ATP às transformações endergônicas de substratos. Algumas reações de biossíntese são impulsionadas pela hidrólise de nucleosídios trifosfatos análogos ao ATP, a saber, guanosina trifosfato (GTP), uridina trifosfato (UTP) e citidina trifosfato (CTP). A energia dos alimentos é extraída em três etapas. No primeiro estágio, as grandes moléculas presentes em alimentos são quebradas em unidades menores. Este processo é a digestão. As proteínas são hidrolisadas em seus 20 aminoácidos diferentes; os polissacarídios são hidrolisados a monossacarídios (açúcares simples) como a glicose; e lipídios são hidrolisados a Uma grande quantidade de energia livre é liberada quando o ATP é hidrolisado a adenosina difosfato (ADP) e ortofosfato (Pi) ou quando ATP é hidrolisado a adenosina monofosfato (AMP) e pirofosfato (PPi). glicerol e ácidos graxos. Os produtos da degradação são, a seguir, absorvidos pelas células intestinais e distribuídos por todo o organismo. Este estágio é estritamente preparatório; nenhuma energia útil é capturada nesta fase. No segundo estágio estas pequenas moléculas numerosas são degradadas a algumas unidades simples que são essenciais ao metabolismo. De fato, a maioria delas, carboidratos, ácidos graxos, glicerol e vários aminoácidos, é transformada na acetila da acetil-CoA. É produzido algum ATP neste estágio, mas a quantidade é pequena comparada com a obtida no terceiro estágio. No terceiro estágio, ATP é produzido pela oxidação completa do grupo acetila da acetil-CoA. O terceiro estágio compreende o ciclo do ácido cítrico e a fosforilação oxidativa que são as vias finais comuns na oxidação de moléculas energéticas. 7. Padrões recorrentes: ▪ Carreadores ativados: o de elétrons para oxidação de compostos energéticos: NAD+/NADH; FAD+/FADH2 o de elétrons para a biossíntese redutora (NADPH) o de fragmentos de 2 carbonos (coenzima A) o de grupos fosfato (ATP) Obs: Muitos dos carreadores ativados são coenzimas derivadas de vitaminas hidrossolúveis. ▪ Reações chave: o Oxidação: transferência de elétrons - remove e- e H+ (desidrogenases). o Redução: transferência de elétrons - ganha e- (redutases). o Transferases: quinase x fosforilase. o Liases: remoção de moléculas de água, gás carbônico e amônia, a partir da ruptura de ligações covalentes. Exemplo: Descarboxilase. o Ligases: unem 2 substratos utilizando energia do ATP. Oxirredução: Essas duas reações de oxirredução fazem parte do ciclo de Krebs, que oxida completamente o fragmento ativado de dois carbonos da acetil-CoA a duas moléculas de CO2. Na reação 1, o FADH2 carreia elétrons, ao passo que na reação 2, os elétrons são carreados pelo NADH. Ligação: Isomerização: Transferência: Hidrolítica: Remoção de grupo funcional: ▪ Os processos metabólicos são extremamente regulados: o Controle da quantidade de enzimas (controle de síntese e degradação) o Controle da atividade catalítica Controle alostérico reversível: a primeira reação de muitas vias biossintéticas é alostericamente inibida pelo produto final da via Modificação covalente reversível: glicogênio fosforilase, que catalisa a degradação do glicogênio é ativada pela fosforilação de um determinado resíduo de serina quando há escassez de glicose. Hormônios coordenam as relações metabólicas entre diferentes tecidos: epinefrina nos músculos, deflagra uma cascata de transdução de sinal, que resulta na fosforilação e ativação de enzimas importantes que levam à rápida degradação do glicogênio em glicose, que é a seguir utilizada para fornecer ATP para a contração muscular. o Controle da acessibilidade de substratos: compartimentalização/ controle do fluxo de substratos. o Estado energético da célula: excesso de ATP. 8. Metabolismo de carboidratos: ▪ Catabolismo: o Glicólise: glicose (galactose, frutose) a piruvato. o Glicogenólise: glicogênio a glicose. o Via das pentoses: glicose a NADPH e pentose fosfato. ▪ Anabolismo: o Gliconeogênese (Neoglicogênese) – síntese de glicose. o Glicogênese – síntese de glicogênio a partir de glicose. ▪ Metabolismo aeróbico: o Ciclo de Krebs. o Fosforilação oxidativa. ▪ Metabolismo anaeróbico: 9. Metabolismode lipídeos: ▪ Catabolismo: o Lipólise: mobilização dos lipídeos armazenados no tecido adiposo- triacilglicerol a ácidos graxos. o Beta-oxidação: ácidos graxos a acetil-CoA. ▪ Anabolismo: o Lipogênese: síntese de ácidos graxos, triacilglicerol, colesterol ▪ Metabolismo aeróbico: o Ciclo de Krebs. o Fosforilação oxidativa. 10. Metabolismo de proteínas: ▪ Catabolismo: o Degradação de aminoácidos (transaminação): ▪ Metabolismo aeróbico: o Ciclo de Krebs. o Fosforilação oxidativa. ▪ Ciclo da ureia: Reciclado e utilizado em reações biossintéticas - excretado na forma de ureia. ▪ Intermediário da gliconeogênese: (gliconeogênese é o processo através do qual precursores como lactato, piruvato, glicerol e aminoácidos são convertidos em glicose).