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Metabolismo celular – Bioquímica
Conteúdo
Glicólise e o catabolismo das hexoses
Princípios de regulação metabólica: glicose e glicogênio
O ciclo do ácido cítrico
Oxidação dos ácidos graxos
Oxidação dos aminoácidos e produção da uréia
Fosforilação oxidativa e fotofosforilação
Biossíntese de carboidratos
Biossíntese de lipídeos
Biossíntese de aminoácidos nucleotídeos e moléculas relacionadas
Integração do metabolismo
Universidade Federal de Goiás
Instituto de Ciências Biológicas
Departamento de Bioquímica 
e Biologia Molecular
Prof. Dr. Alexandre Melo Bailão
METABOLISMO DE CARBOIDRATOS
BIOENERGÉTICA E METABOLISMO
Introdução
Biomoléculas mais abundantes;
Funções: energética, reserva, reconhecimento, estrutural, proteção, coesão entre as células e lubrificantes;
Poli-hidroxialdeídos ou cetonas;
Três classes principais: monossacarídios, oligossacarídios e polissacarídios.
GLICÓLISE E CATABOLISMO DAS HEXOSES
Monossacarídeos
Duas famílias: cetoses e aldoses (3 a 7 carbonos)
Gliceraldeído
Dihidroxiacetona
Glicose
Frutose
Dissacarídeos
álcool
condensação
hidrólise
α-D-glicopiranosil-(14)-D-glicopiranose
glicose
glicose
Maltose (glicose+glicose)
Sacarose (glicose+frutose)
Lactose (galactose+glicose)
Ligação glicosídica
Polissacarídeos
Polímeros que contêm mais de 20 unidades monossacarídicas
Homopolissacarídeos
Exoesqueleto de quitina
Celulose
Estrutura
Grânulos de amido
Grânulos de glicogênio
Armazenamento
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Etapas de Oxidação da Glicose
Glicólise
Ciclo de Krebs
Fosforilação Oxidativa
Mitocôndria
Citoplasma
Dependente de O2
Independente de O2
GLICÓLISE
Via metabólica para obtenção de energia química a partir da glicose;
Ocorre no citoplasma de todas as nossas células;
Processo anaeróbio;
Possui duas fases: preparatória e de pagamento;
Em algumas células, é a única forma de obtenção de energia (glóbulos vermelhos, microrganismos anaeróbios).
Fase preparatória
Fase de pagamento
Porque o processo de quebra de 1 molécula de 6 C e duas moléculas de 3 C é tão complexo?
Os intermediários metabólicos são matérias primas necessários nos processos biossintéticos
Otimização da produção de energia
glicose
piruvato
Coenzimas NADH
lactato
etanol
O2
O2
Ciclo de Krebs
e
Fosforilação oxidativa
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ATP
2 ATP
Destinos do piruvato
A glicólise é estreitamente regulada:
Para manter constante os níveis de ATP e intermediários glicolíticos
Ajustes na velocidade da glicólise  via regulação de atividades enzimáticas de enzimas como fosfofrutoquinase-1 e piruvato quinase
Estas enzimas são reguladas pela flutuação de certos metabólitos chave que refletem as necessidades metabólicas do momento celular
Piruvato
Desidrogenase
láctica
Lactato
DG0’ = -25.1 KJ/mol
NADH + H+
NAD+ 
Glicose
2 Piruvato
2 Lactato
2 NAD+
2 NADH
Destinos do piruvato sob condições anaeróbicas
Glicose + 2ADP + 2Pi
2 etanol + 2CO2 +2ATP +2H2O
Piruvato
Piruvato
descarboxilase
Desidrogenase
alcoólica
Etanol
Acetaldeído
CO2
NADH + H+
NAD+ 
Fermentação alcoólica
As fermentações microbianas rendem produtos finais com valor comercial  metanol; propanol, ác. fórmico, butanol, glicerol, ác. acético
Balanço energético da glicólise
Ganho líquido de 2ATPS + 2piruvatos + 2NADH
Condições aeróbias  completa oxidação do piruvato  produção de ATPs + oxidação do NADH na cadeia de transporte de elétrons  ATPs
Condições anaeróbias  produção líquida de 2 ATPs + 2piruvato/etanol
Vias afluentes da glicólise
Degradação do glicogênio e do amido;
Hidrólise de dissacarídeos (sacarose);
Diversos monossacarídoes entram em outros pontos na glicólise (frutose).
GLICONEOGÊNESE
“produção de um novo açúcar”
Animais, plantas, fungos e outros microrganismos
Precursores: piruvato, glicerol, lactato e alguns aa
Altamente conservada
Ocorre no fígado e córtex renal
Função: sangue  outros tecidos
Exercício Lactato  fígado  glicosesangue
Plantas  gorduras  em glicose
Glicose é um precursor  parede celular, nucleotídeos, coenzimas, glicoproteínas e glicolípídios…
Molécula inicial/final
Produtos/precursores
Não são apenas duas vias metabólicas fluindo em direções contrárias!!!!
Duas vias ocorrem no citosol e necessitam de regulação de regulação recíproca e coordenada 
Glicólise e neoglicogênese são irreversíveis
Uma das vias de conversão de piruvato em PEP
Vias alternativas de conversão de piruvato em PEP
Transporte do oxaloacetato para o citosol via malato  importante???
[NADH]/[NAD+] 8 x 10-4 no citosol  105 vezes menor que na mitocondria!!!
Necessidade de reciclagem dos equivalentes redutores
Move equivalentes redutores da mitocôndria para o citosol  balanceamento do NADH produzido e consumido na gliconeogênese
Ciclo de Cori
Desvios adicionais da gliconeogênese em relação à glicólise
Gliconeogênese é energicamente dispendiosa
Os intermediários do ciclo do ácido cítrico e alguns aminoácidos são gliconeogênicos
Via das pentoses fosfato para oxidação da glicose 
Glisose-6P apresenta outros destinos catabólicos
Principais produtos: NADPH e ribose -5P
NADPH  agente redutor nas vias anabólicas e protege contra danos oxidativos do H2O2
Tecidos com alta taxa de síntese de ácidos graxos (fígado, adiposo, glândulas mamárias) ou colesterol e hormônios esteróides (fígado , glândulas adrenais e gônodas)  requerem NADPH produzido por esta via.
Fase oxidativa da via das pentoses fosfato
Células da córnea e eritrócitos são constantemente expostas ao oxigênio  radicais livres
Manutenção de uma atmosfera redutora  prevenção de danos oxidativos de lipídeos, proteínas, ác. nucleicos
Redução do H2O2  glutationa reduzida, glutationa peroxidase 
Redução da glutationa oxidada em reduzida  glutationa redutase e NADPH
Proteção contra estresse oxidativo - NADPH
Fase não-oxidativa da via das pentoses fosfato
Catalisada por três enzimas: epimerase, transaldolase e transcetolase
Conversão da ribose-5P em glicose-6P  sem consumo de ATP e equivalentes redutores
6 moléculas de 5C  produz 5 moléculas de 6C
 Destinos da glicose-6P – glicólise e via das pentose fosfato
Depende da necessidade celular e da disponibilidade de NADP+ 
Altos níveis de NADPH  glicólise
Niveis de NADP+ aumentam (tecidos com alta atividade biossintética)  via das pentoses fosfato 
“a produção de glicogênio no fígado a partir de ácido lático estabelece uma conexão importante entre os metabolismos muscular e hepático. O glicogênio muscular torna-se disponível como açúcar sanguíneo através da intervenção do fígado, e a glicose sanguínea é, então, convertida em glicogênio muscular. Existe, portanto, um ciclo completo da molécula da glicose no corpo… A epinefrina acelera este ciclo na sentido músculo fígado… Por outro lado, a insulina acelera o ciclo na direção sangue músculo…
C. F. Cori and G. T. Cori, article in Journal of
Biological Chemistry, 1929
PRINCÍPIOS DE REGULAÇÃO METABÓLICA: GLICOSE E GLICOGÊNIO
Regulação metabólica  tema central na bioquímica
Características mais interessantes da célula
Milhares de enzimas  é provável que nenhuma escape de algum tipo de regulação
Divisão em vias  conveniente (mas essencial) para a compreensão
Cada via metabólica está conectadas com as outras vias em uma rede metabólica multidimensional
Glicose-6P  metabólito compartilhado por várias vias metabólicas 
Célula “decide”  destino da glicose-6P  afeta todas as outras vias nas quais este metabólito é um intermediário
Direcionamento metabólito  efetuado por meio de mecanismos de regulação  reguladores  afetam a atividade enzimática  “ligando ou desligando” vias metabólicas específicas
A alocação de metabólitos  Louis Pasteur
Mudança leveduras:
Aeróbica  anaeróbica
↑ consumo de glicose (10x)
sem notáveis alterações nas [ATP] ou outros vários metabólitos celulares
A células tem a capacidade de gerenciar todos os processos metabólicos simultaneamente – obtendo cada produto na quantidade necessária, no tempo correto, em condições adversas, e sem gerar vestígios – o que é uma realização espantosa.
Metabolismo do glicogênio
Excesso de glicose  glicogênio/amido
Fígado/músculo – 10%/1-2%
Polímero  redução da osmolaridade da glicose no citoplasma celular – 0.4M  0.01uM
Partícula de glicogênio  55.000 glicose  2.000 extremidades redutoras
Associam 20 a 40 partículas
Visíveis microscopias eletrônica  animais alimentados  ausentes após 24h jejum.
Hidrólise do glicogênio
A hidrólise do glicogênio  glicose para glicólise
Glicogênio fosforilase, enzima de desramificação do glicogênio e fosfoglicomutase
Ligações (α14) e (α16)
Conversão da glicose-1P em 6P
Músculo  glicólise
Fígado  aumentar os níveis de glicose sanguínea
RE  fígado e rins  glicose 6-fosfatase 
Síntese de glicogênio
fosfoglicomutase
Grupo doador de glicose é UDP-glicose
Também utilizado  deoxiribose e ác. Ascórbico
Reação irreversível
Nucleotídeo interagir com vários sitios nas enzimas
Ótimo grupo doador
Marcação do destino do açúcar
Glicosil (46)-transferase
Ocorre em todos os tecidos  predominante no fígado e músculos esqueléticos
Precursor: glicose-6P
Fosfoglicomutase, UDP-glicose pirofosforilase, glicogênio sintase (α14) e glicosil (α46) transferase
Como é iniciada a síntese de uma nova molécula de glicogênio?
Glicogênio sintase  necessita de um polímero (α14) iniciador de 8 monômeros
Cadeia inicial de poliglicose:
GLICOGENINA
Partícula de glicogênio  até 12 camadas de fileiras
Regulação de vias metabólicas
quando v1 = v2, [S] é constante
As vias metabólicas de carboidratos  essenciais para sobrevivência mecanismos regulatórios complexos
Garantido fluxo de metabólitos através de um via, na direção correta e na taxa correta para responder as circunstâncias celulares de um momento
As circunstâncias celulares podem mudar drasticamente
Exercício, composição e quantidade da dieta
Combustíveis (glicose) entram na célula e produtos(CO2) deixam a célula entretanto a massa e a composição não variam
Células estão em estado de equilíbrio dinâmico
Estado de equilíbrio é perturbado  os fluxos de vias temporariamente perturbados desengatilha mecanismos regulatórios de cada via  retorno da célula ao estado de equilíbrio - homeostase
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Evolução  organismos adquiriram uma coleção de mecanismos regulatórios para manutenção da homeostase em níveis molecular, celular e organismo
importância dos mecanismos regulatórios  refletida no alto número de genes regulatórios (aprox. 4000 homem)
Agem em diferentes escalas de tempo; diferentes sensibilidades
A manutenção da concentração de ATP é essencial
Hormônios
Enzimas regulatórias respondem a mudanças nas concetrações de metabólitos
Fluxo através de uma via bioquímica depende da atividade das enzimas que catalisam cada passo naquela via.
A atividade enzimática pode ser alterada de diversas maneiras
Regulação coordenada e recíproca da glicólise e da gliconeogênese
As isoenzimas hexoquinase do músculo e fígado são diferencialmente afetadas por seus produtos
Hexokinase I-III  músculo 
Alta afinidade; Km=0.1mM
Inibida pelo produto
Hexokinase IV  fígado
Km 10mM > sangue 4 a 5mM
Regula a [glicose] sanguínea
Não é inibida pelo produto
Inibição por sequestro
Glicose-6P  diferentes destinos:
Pentose fosfato
Glicólise
Síntese de glicogênio
PFK-1 condena a glicose através da glicólise
A fosfofrutoquinase-1 sofre regulação alostérica complexa 
Inibida por ATP acetil-CoA e ác. Graxos de cadeia longa
A do fígado é inibida por fosoforilação
Glucagon  adenilato ciclase  ↑cAMP  proteína quinase dependente de cAMP
No músculo  ↑cAMP (adrenalina)  ↑ quebra do glicogênio e glicólise preparo para reação de luta-ou-fuga.
Regulação da atividade da piruvato quinase
A gliconeogênese é regulada em vários passos
Piruvato precursor da neoglicogênese
Ponto de partida  definição do destino – piruvato carboxilase
Altos índices de Acetil-CoA
Degradação de ác. Graxos
Altos índices de NADH  inibição do ciclo de Krebs
INIBIÇÃO DA PIRUVATO CARBOXILASE
A FBPase-1 é o segundo ponto de regulação da gliconeogênese
A frutose 2,6-bifosfato é um potente regulador da glicólise e da gliconeogênese
Mediador da resposta hormonal da glicose/gliconeogênese
Reflete o nível de glucagon no sangue
A frutose 2,6-bifosfato é um potente regulador da glicólise e da gliconeogênese
Niveis controlados por fosfofrutoquinase-2 e frutose 2,6-bifosfatase
Única enzima com as duas atividades
Glucagon reflete baixa glicose sanguínea  gliconeogênese
Regulação coordenada da sítese e do consumo do glicogênio
Mobilização do glicogênio  glicogênio fosforilase
Regulação da mobilização é sobre esta enzima
A glicogênio fosforilase ilustra como as izoenzimas desempenham seus papéis tecido-específico
Regulação covalente
Regulação alostérica
Regulação da glicogênio fosforilase no músculo
Regulação da glicogênio fosforilase hepática
O sítio alostérico da regulação por glicose permite a ação da enzima como um sensor de glicose respondendo apropriadamente a glicose sanguínea
Cascata do mecanismos de ação do glucagon e da epinefrina
A glicogênio sintase também é regulada por fosforilação/desfosforilação
A glicogênio sintase quinase 3 é proteína regulatória mais importante
A glicogênio sintase quinase 3 medeia as ações da insulina
Controle da síntese do glicogênio a partir da glicose sanguínea nos miócitos
A fosfoproteína fosfatase 1 é central no metabolismo do glicogênio
PP1  remove grupos fosforil de todas as 3 enzimas fosforiladas em resposta ao glucagon e epinefrina: glicogênio sintase, glicogenio fosforilase e fosforilase quinase  Insulina estimula a síntese do glicogênio ativando PP1 e inativando GSK3
Não existe livre no citosol  fortemente ligada a proteína de direcionamento ao glicogênio
Sinais hormonais e alostéricos coordenam o metabolismo de carboidratos 
Diferença na regulação do metabolismo de carboidratos entre os tecidos muscular e hepático
Músculo:
O músculo utiliza seu estoque de glicogênio somente para sua própria demanda
Produção de ATP  controlada pela glicólise
A maquinaria da gliconeogênese é ausente no tecido muscular