Processos Metabólicos e Energéticos

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TERMODINÂMICA
● Energia livre: função termodinâmica que mede a quantidade de energia
disponível em um sistema para realizar trabalho
● Entalpia: função de estado que representa a quantidade total de energia de um
sistema
● Entropia: medida da desordem em um sistema
Glicólise
Sequência de reações que metabolizam uma molécula de glicose em duas de piruvato,
com produção concomitante de duas moléculas de ATP. (PROCESSO ANAERÓBICO)
O piruvato pode seguir a ser processado de modo anaeróbico a lactato (fermentação
láctica) ou etanol (fermentação alcoólica). Em condições aeróbias, é oxidado por
completo a CO2, produzindo muito mais ATP.
ATP: molécula composta de três grupos fosfato ligados em uma cadeia linear, por
ligações fosfoanidridras que contém grande quantidade de energia armazenada, devido
a ressonância entre as ligações duplas, que acontece pela diferença de
eletronegatividade, com uma repulsão entre as cargas negativas. Quando essas
ligações são quebradas (hidrólise) essa energia é liberada e pode ser utilizada para
inúmeras reações endergônicas.
GLICONEOGÊNESE
Processo para recuperar os produtos metabólicos, como piruvato e lactato, para
síntese de glicose
GLICÓLISE
● Ocorre no citoplasma
● Formação de 2 ATP
PRIMEIRO ESTÁGIO
● 1º etapa: a glicose é fosforilada pelo ATP para formar glicose 6-fosfato,
catalisada pela hexoquinase. O acréscimo do grupo fosforila desestabiliza a
glicose, facilitando o prosseguimento do seu metabolismo, e como
consequência, a glicose 6-fosfato não consegue atravessar a membrana.
(PONTO DE REGULAÇÃO) (-ATP)
● 2º etapa: isomerização da glicose 6-fosfato em frutose 6-fosfato, catalisada
pela fosfoglicose isomerase. Esse processo é realizado para expor um
carbono que inicialmente estava preso no anel da glicose 6-fosfato, permitindo
que essa molécula seja fosforilada mais uma vez
● 3º etapa: segunda reação de fosforilação: frutose 6-fosfato a frutose
1,6-bifosfato, catalisada pela fosfofrutoquinase (PFK) (PONTO DE
REGULAÇÃO) (-ATP)
● 4º etapa: frutose 1,6-bifosfato (6 carbonos) é clivada em 2 produtos de 3
carbonos: gliceraldeído 3-fosfato (GAP) e di-hidroxiacetona fosfato (DHAP),
catalisada pela aldolase. Somente o GAP está na via direta da glicose, então o
DHAP é convertido em GAP (isomerização), catalisada pela triose fosfato
isomerase.
SEGUNDO ESTÁGIO
● 5º etapa: conversão de gliceraldeído 3-fosfato em 1,3-bisfosfoglicerato,
catalisada pela gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase. O gliceraldeído
3-fosfato é oxidado a 3-fosfoglicerato; NAD+ é reduzido a NADH e ATP é
formado a partir de ADP, à custa da energia de oxidação do carbono, catalisada
pela fosfogliceratoquinase. Fosforilação ao nível do substrato: processo de
formação do ATP onde o doador de fosfato é um substrato com alto potencial de
transferência de fosforila. (+2 ATP)
● 6º etapa: rearranjo do grupo fosforila na conversão de 3-fosfoglicerato em
2-fosfoglicerato, catalisada pela fosfoglicerato mutase
● 7º etapa: desidratação do 2-fosfoglicerato formando fosfoenolpiruvato,
catalisada pela enolase
● 8º etapa: formação de piruvato a partir de 2-fosfoglicerato, catalisada pela
piruvato quinase (PONTO DE REGULAÇÃO) (+2 ATP)
● O piruvato pode apresentar 3 destinos: fermentação, podendo ser alcoólica
(forma etanol) ou lactea (forma lactato); fermentação regenera NAD+ e forma
2 ATP. Ou entra no ciclo do ácido cítrico para formação de mais ATP.
REGULAÇÃO DA GLICÓLISE
● Enzimas que catalisam reações irreversíveis são locais potenciais de controle
NOS MÚSCULOS
● Fosfofrutoquinase: altos níveis de ATP inibem a enzima de forma alostérica:
a ligação com ATP diminui a afinidade da enzima pela frutose 6-fosfato. AMP
reverte a ação inibitória do ATP, então a glicólise é estimulada quando cai a
carga energética. A queda do pH também inibe a enzima por aumentar o
efeito inibidor do ATP; o pH cai quando o músculo está funcionando de modo
anaeróbico (fermentação), produzindo muito ácido láctico. A enzima que
catalisa a etapa limitante de uma sequência metabólica (primeira reação
irreversível) é o elemento mais importante de controle da via
● Hexoquinase: é inibida pela glicose 6-fosfato: altas concentrações desta
molécula sinalizam que a célula não necessita mais de glicose para formação ou
armazenamento de energia. Além disso, a inibição da PFK leva a inibição da
hexoquinase, pois quando a PFK está inativa, a concentração de glicose
6-fosfato aumenta.
● Piruvato quinase: o ATP inibe alostericamente a enzima de modo a reduzir a
velocidade da glicólise quando a carga energética for alta
NO FÍGADO
● O fígado mantém os níveis sanguíneos de glicose: armazenando como
glicogênio quando a glicose é abundante e liberando quando o aporte é baixo
GLICONEOGÊNESE
● Converte piruvato em glicose, importante durante um período maior de jejum ou
inanição
● Os precursores não carboidrato da glicose (lactato, aminoácidos e glicerol) são
inicialmente transformados em piruvato
ETAPAS
● 1º etapa: carboxilação do piruvato para formar oxaloacetato, catalisada pela
piruvato carboxilase (-ATP) (MITOCONDRIA)
● Oxalacetato é transportado da mitocôndria na forma de malato: ele é reduzido a
malato dentro da mitocôndria, e depois que é transportado atravessando a
membrana mitocondrial é reoxidado a oxaloacetato no citoplasma.
● 2º etapa: oxaloacetato é descarboxilado e fosforilado para originar
fosfoenolpiruvato, catalisada pela fosfoenolpiruvato carboxilase
(CITOPLASMA)
● 3º etapa: fosfoenolpiruvato é metabolizado por enzimas da glicólise (no
sentido reverso), até que chegue na etapa de hidrólise da frutose 1,6-bifosfato
a frutose 6-fosfato, catalisada pela frutose 1,6-bifosfatase (enzima alostérica
que participa na regulação da gliconeogênese) (IRREVERSÍVEL)
● 4º etapa: a frutose 6-fosfato é prontamente revertida em glicose 6-fosfato.
Na maioria dos tecidos, a gliconeogênese termina aqui. Glicose livre não é
produzida e a glicose 6-fosfato é convertido em glicogênio --- VANTAGEM:
diferente da glicose livre, a glicose 6-fosfato não é transportada para fora da
célula
● 5º etapa: glicose 6-fosfato é hidrolisada em glicose pela glicose 6-fosfatase
(RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO)
REGULAÇÃO DA GLICÓLISE E GLICONEOGÊNESE
São coordenadas de modo que, dentro de uma célula, uma via esteja relativamente
inativa quando a outra está em alta atividade, porque como são vias muito exergônicas,
não há barreira termodinâmica na célula para essa atividade simultânea.
Quando a energia é necessária, a glicólise predomina. Quando há excesso de energia,
prevalece a gliconeogênese.
● Quando é necessária energia: alta concentração de AMP, que estimula a PFK
e inibe a frutose 1,6-bisfosfatase, ativando a glicólise e inibindo a
gliconeogênese.
● Quando a carga energética é alta: altos níveis de ATP e citrato (ciclo do ácido
cítrico)---> ATP e citrato inibem a fosfofrutoquinase, enquanto o citrato ativa
a frutose 1,6-bifosfatase---> Glicólise quase interrompida e a gliconeogênese
favorecida
● NO FÍGADO: as velocidades da glicólise e da gliconeogênese são ajustadas
para manter os níveis sanguíneos de glicose. A molécula sinalizadora, frutose
2,6-bifosfato, estimula a PFK e inibe a frutose 1,6-bifosfatase, e sua
formação é catalisada pela fosfofrutoquinase-2 (PFK2)
● PFK2: enzima bifuncional, com dois domínios com atividades distintas: PFK2,
que catalisa a formação da frutose 2,6-fosfato a partir da frutose 6-fosfato; e
a frutose 2,6-bifosfatase (FBPase 2), que catalisa a desfosforilação da frutose
2,6-bifosfato de volta a frutose 6-fosfato
Quando a glicose é escassa: elevação dos níveis de glucagon, que ativa a
FBPase 2 e inibe a PFK2, diminuindo os níveis de frutose 2,6-bifosfato, inibindo a
glicólise e favorecendo a gliconeogênese.
Quando os níveis de glicose são altos: insulina é secretada, que ativa a
PFK2 e inibe a FBPase 2, aumentando os níveis de frutose 2,6-bifosfato,
acelerando a glicólise e inibindo a gliconeogênese
CICLO DE CORI: No músculo esquelético ativo, a formação e liberação de lactato
(fermentação) permitem que o músculo gereATP na ausência de oxigênio. O lactato
formado é difundido para fora das células musculares em direção ao sangue. Em um
dos destinos, o excesso de lactato é absorvido pela membrana de algumas células
(músculo cardíaco), onde é revertido em piruvato e metabolizado pelo ciclo de krebs, o
que torna a glicose circulante mais disponível para as células musculares ativas, que
necessitam de muita energia. Outro destino é para o fígado, que utiliza o lactato para
sintetizar e liberar glicose, restaurando o nível de glicose necessária para as células
musculares ativas.
CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO
● O ciclo do ácido cítrico inclui uma série de reações de oxirredução que resultam
na oxidação de um grupo acetila em duas moléculas de dióxido de carbono, que
gera elétrons de alta energia que serão utilizados para impulsionar a síntese de
ATP.
● A função do CAC é coletar elétrons de alta energia a partir de átomos de
carbono---> NADH e FADH2, por meio da oxidação do acetil-CoA
● Descarboxilação oxidativa: reação onde um grupo carboxila (-COOH) é
removido de uma molécula na forma de dióxido de carbono, acompanhado pela
sua oxidação, resultando na redução de uma outra molécula, produzindo uma
molécula de alta energia, como NADH.
● 1º etapa: Na matriz mitocondrial, o piruvato sofre descarboxilação oxidativa pelo
complexo piruvato desidrogenase para formar acetil-CoA (IRREVERSÍVEL)
1. Descarboxilação: o piruvato se combina com TPP e é descarboxilado
para formar hidroxietil-TPP
2. Oxidação: o grupo hidroxietila é oxidado para formar um grupo acetila,
enquanto é transferido para lipoamida, resultando na formação de uma
ligação tioéster rica em energia, produzindo acetil-lipoamida
3. Acetil-CoA: o grupo acetila é transferido de acetil-lipoamida para CoA
para formar acetil-CoA
4. CoA: importante para permeabilização da mitocôndria, permitindo a
passagem do piruvato do citosol para a mitocôndria
● 2º etapa: o oxaloacetato reage com acetil-CoA (condensação) e H20 formando
citrato e CoA, reação catalisada pela citrato sintase
● 3º etapa: citrato é isomerizado a isocitrato para permitir que a unidade com seis
carbonos sofra descarboxilação oxidativa, feita por uma desidratação seguida de
hidratação, catalisada pela aconitase
● 4º etapa: isocitrato é convertido a alfacetoglutarato por uma reação de
descarboxilação oxidativa, catalisada pela isocitrato desidrogenase
● 5º etapa: formação de succinil-CoA a partir de alfacetoglutarato, por
descarboxilação oxidativa, catalisada pelo complexo alfacetoglutarato
desidrogenase
● 6º etapa: clivagem da ligação tioéster do succinil-CoA (-CoA) é acoplado a
formação de ATP, catalisada pela succinil-CoA sintetase, exemplo de
fosforilação ao nível do substrato. (REVERSÍVEL) (+ATP)
● 7º etapa: regeneração do oxaloacetato:
○ succinato é oxidado a fumarato pela succinato desidrogenase (FAD como
aceptor de hidrogênio)
○ hidratação do fumarato para formar L-malato, pela fumarase
○ malato é oxidado para formar oxaloacetato, catalisada pela malato
desidrogenase (NAD como aceptor de H+)
● Saldo:
○ 2 átomos de carbono entram no ciclo na condensação de acetila com
oxaloacetato. 2 átomos de carbono deixam o ciclo na forma de CO2 nas
descarboxilações oxidativas, nas 4º e 5º etapas
○ 4 pares de átomos de hidrogênio deixam o ciclo em 4 reações de
oxidação: dois NAD+ são reduzidos nas 4º e 5º etapas; FAD é reduzido
na oxidação do succinato; NAD+ é reduzido na oxidação do malato
○ 1 ATP é gerado na 6º etapa
○ 2 H2O são consumidas
● Mesmo o O2 não participando diretamente do CAC, o ciclo opera apenas em
condições aeróbicas porque NAD+ e FAD só podem ser regenerados na
mitocôndria pela transferência de elétrons para O2.
REGULAÇÃO
● A formação de acetil-CoA a partir do piruvato é uma etapa irreversível, ou seja,
não há como converter acetil-CoA de novo em glicose. Dessa forma, a atividade
do complexo piruvato desidrogenase é regulada alostericamente, pelos níveis de
NADH e acetil-CoA.
Concentrações elevadas de NADH e acetil-CoA sugerem que as demandas
energéticas da célula foram atendidas, não havendo necessidade da conversão de
piruvato em acetil-CoA, inibindo a enzima.
● Isocitrato desidrogenase: estimulada por ADP e inibida por ATP e NADH
● Alfacetoglutarato desidrogenase: inibida pela succinil-CoA e pelo NADH,
produtos da reação por ela catalisada
● A velocidade do ciclo é reduzida quando a célula tem níveis elevados de ATP
● A inibição da isocitrato desidrogenase resulta em acúmulo de citrato, porque a
interconversão de isocitrato e citrato é um processo reversível. O citrato pode
ser transportado para o citoplasma, onde sinaliza para a PFK interromper a
glicólise.
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
● Converte a energia dos elétrons de alta energia produtos do CAC em ATP
● Ocorre nas mitocôndrias, na membrana mitocondrial interna
○ Importância das cristas: geram um aumento da área de superfície da
membrana mitocondrial interna, criando mais locais para a fosforilação
oxidativa
○ A membrana externa é muito permeável a moléculas pequenas e íons,
diferente da membrana interna, impermeável a íons e moléculas polares
● Elétrons de NADH e FADH2 são utilizados para reduzir oxigênio molecular a
água
○ Agente redutor: NADH
○ Agente oxidante: O2
● Os elétrons são transferidos de NADH para O2 por meio de uma cadeia de
grandes complexos
○ Os complexos 1, 2 e 3 estão associados em um complexo supramolecular
○ Complexo supramolecular: são formados por interações não covalentes
entre moléculas, resultando em sistemas organizados com propriedades
e funções que vão além das capacidades das moléculas isoladas. Neste
caso, facilitam a transferência rápida de substrato e evitam a liberação de
intermediários de reações
● Complexo 1: os elétrons do NADH entram na cadeia no complexo 1, uma bomba
de prótons em formato de L, com um ramo horizontal na membrana e um vertical
que se projeta na matriz
○ A etapa inicial consiste na ligação do NADH e a transferência de seus
dois elétrons para o grupo FMN, originando FMNH2
○ Os elétrons são transferidos de FMNH2 para uma série de agregados de
proteínas ferro-enxofre, responsáveis por acoplar o movimento de
elétrons
○ Resulta no bombeamento de 4 prótons e na captação de 2 prótons da
matriz mitocondrial (QH2)
● Complexo 2: FADH2 entra na cadeia transportadora de elétrons e seus elétrons
são transferidos para os centros ferro-enxofre, então transferidos para
ubiquinona para formar o ubiquinol (QH2)
○ Não há transporte de prótons para o espaço intermembrana---> não gera
gradiente redox
● Complexo 3: os elétrons do ubiquinol gerado pelos complexos 1 e 2 são
passados para o citocromo c pela bomba de prótons no complexo 3, que resulta
no transporte de 2H+ para o lado citoplasmático
○ Citocromo: proteína que transfere elétrons e contém um grupo heme
○ Ciclo Q: o ubiquinol carrega 2 elétrons, enquanto o citocromo c (aceptor
de elétrons do processo) só pode aceitar 1
Na primeira metade do ciclo, dois elétrons do ubiquinol são transferidos:
um para o citocromo c e outro para a ubiquinona, formando um radical semiquinona
Q.-. A ubiquinona formada (QH2->Q) entra no reservatório de Q.
Na segunda metade do ciclo, um segundo ubiquinol transfere seus elétrons: um
para outro citocromo c e um para Q.-, reduzindo o radical a ubiquinol, resultando na
captação de 2 prótons a partir da matriz, que contribui para a formação do gradiente de
prótons.
● Complexo 4: catalisa a transferência de elétrons da forma reduzida do citocromo
c para o oxigênio molecular (aceptor final)
○ Redução do O2 para H2O, usando 4 prótons da matriz
● ATP sintase: complexo enzimático na membrana mitocondrial responsável por
realizar a síntese de ATP
○ Subunidade F0: formada por hélices transmembrana que contém o canal
de prótons do processo
○ Subunidade F1: hidrolisa ATP
○ A rotação de F1, impulsionada pelo fluxo de prótons, converte os sítios T
(alta afinidade), L (baixa afinidade) e O (sem afinidade). ADP é
hidrolisado em ATP no sítio T, ADP se liga na subunidade L e ATP é
liberado na subunidadeO.
● Teoria quimiosmótica: a medida que elétrons passam pela cadeia
transportadora, a energia liberada é usada para bombear prótons da matriz
mitocondrial para o espaço intermembrana, criando um gradiente de prótons
(diferença na concentração de H+ entre os lados da membrana) (força
próton-motriz, que armazena energia potencial). Para que os prótons retornem a
matriz, eles passam pela ATP sintase e esse fluxo fornece a energia necessária
para conversão de ATP.
REGULAÇÃO
● A taxa de fosforilação oxidativa é determinada pela demanda de ATP
● Quando as concentrações de ADP se elevam (musculatura ativa), a taxa de
fosforilação oxidativa aumenta para atender as demandas de ATP dos músculos
○ A medida que o nível de ADP aumenta, a fosforilação oxidativa se
acelera, NADH e FADH2 são oxidados e o CAC se torna mais ativo
● Em baixas concentrações de ADP (musculatura em repouso), NADH e FADH2
não são consumidos pela cadeia transportadora de elétrons
○ O CAC se torna mais lento porque há menos FAD e NAD+ para alimentar
o ciclo