Estudo Dirigido de Metabolismo

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1º ESTUDO DIRIGIDO – METABOLISMO E BIOENERGÉTICA E METABOLISMO 
Professoras: Luisa Ketzer e Carolina Braga Data: 19/11/2011 
Nome do aluno:______________________________________________________________ 
Estudo dirigido individual, a ser entregue manuscrito (letra legível) no dia 26/11/2012. 
Conteúdo: digestão e absorção de carboidratos, glicólise, fermentação, ciclo de Krebs e fosforilação 
oxidativa. 
1) O que metabolismo? Defina catabolismo e anabolismo. 
O metabolismo é uma atividade celular altamente coordenada no qual muitos sistemas multienzimáticos (vias 
metabólicas) atuam de forma cooperativa para obter energia química, converter moléculas dos nutrientes em 
moléculas com características próprias de cada célula, polimerizar precursores monoméricos em macromoléculas 
e/ou sintetizar e degradar biomoléculas necessárias a funções celulares especializadas. O metabolismo, o 
somatório de todas as transformações químicas que ocorrem em determinada célula ou organismo, ocorre por 
meio de uma série de reações catalisadas enzimaticamente, as quais constituem as vias metabólicas. O 
catabolismo refere-se às reações que convertem energia para as formas biologicamente utilizáveis, como ATP, 
GTP e NADH. Já o anabolismo refere-se às reações que necessitam de energia para ocorrerem, como por exemplo 
a síntese de glicose, lipídeos, DNA, proteínas. 
 
2) Em qual local da célula ocorre a glicólise? Quais são os pontos de controle da atividade da glicólise? 
Identifique as enzimas e efetores positivos e negativos. 
A glicólise ocorre no citoplasma da célula e possui três pontos de regulação principais: 
O primeiro ponto de controle é a fosforilação da glicose catalisada pela hexoquinase, formando a 
glicose 6-fosfato. A fosforilação da glicose impede que esta saia da célula novamente. Ao adicionar um 
grupo fosfato à glicose, ela se torna uma molécula carregada negativamente e é impossível atravessar 
passivamente a membrana celular, mantendo-a aprisionada dentro da célula. A hexoquinase apresenta 
quatro isoenzimas (I à IV) que se diferenciam pela localização tecidual e regulação enzimática. A 
hexoquinase II, altamente expressa no músculo, possui alta afinidade por glicose (50 % saturada com 
0,1 mM glicose) e é inibida pelo produto (efetor negativo: glicose 6-fosfato). Já hexoquinase IV 
(glicoquinase) é predominantemente expressa no fígado e possui uma afinidade pela glicose menor que 
a hexoquinase II (50 % saturada com 10 mM glicose); é inibida pela ligação de uma proteína reguladora 
(nuclear) específica do fígado (inibição aumentada na presença de frutose 6-fosfato, um efetor 
alostérico negativo). A glicose compete com a frutose 6-fosfato pela interação com a hexoquinase IV; a 
 
UNIVESIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO 
POLO AVANÇADO DE XERÉM 
CIÊNCIAS BIOLÓGICAS – BIOTECNOLOGIA 
NANOTECNOLOGIA 
 
hexoquinase IV não é inibida pelo produto (glicose 6-fosfao). Hexoquinase I (cérebro e rins), II (músculo) 
e III (diversos tecidos) possuem características similares. 
O segundo ponto de controle é a transformação frutose 6-fosfato em frutose 1,6-bisfosfato catalisada 
pela enzima fosfofrutoquinase 1 (PFK-1). Esta é inibida alostericamente por altas concentrações de ATP 
(indica que a carga energética está alta na célula e, portanto, não é necessário que ocorra mais 
glicólise). A alta concentração de citrato (intermediário do Ciclo de Krebs) também inibe a atividade da 
fosfofrutoquinase por indicar que os precursores de biossíntese estão em abundância, não sendo mais 
necessária a degradação de glicose para este fim. ADP e AMP são efetores positivos, assim como a 
frutose 2,6- bifosfato, que se liga ao sítio alostérico da PFK-1, aumentando a afinidade da enzima pelo 
substrato (frutose 6-fosfato) e reduzindo sua afinidade pelos inibidores alostéricos ATP e citrato. 
O terceiro ponto de controle é a formação de piruvato a partir de fosfoenolpiruvato, reação catalisada 
pela enzima piruvato quinase. Esta enzima é regulada negativamente por altas concentrações de ATP, 
acetil-CoA e ácidos graxos de cadeia longa, e ativada por frutose 1,6-bisfosfato. Quando a concentração 
de glicose baixa de glicose provoca a liberação de glucagon, a proteína quinase dependente de AMPc 
(PKA) fosforila a FORMA L (hepática) da piruvato quinase, inativando-a. Isso diminui a velocidade de 
utilização da glicose como combustível pelo fígado e permite sua exportação para o cérebro e demais 
órgãos. 
 
3) Sabe-se que o Km da hexoquinase é 0,1 mM e da glicoquinase é 10 mM por seu substrato (glicose). O 
Km é inversamente proporcional à afinidade da enzima pelo substrato (quanto maior o Km, menor a 
afinidade da enzima pelo substrato e vice-versa). Sabendo que, normalmente, a concentração de 
glicose na corrente sanguínea é 4 mM, discuta qual das duas enzimas funciona sempre em sua 
velocidade máxima. Diga também qual delas só funciona bem em altas concentrações de glicose. 
Indique o tecido predominante de cada isoenzimas. 
A hexoquinase é predominante no músculo, cérebro, rins e diversos outros tecidos (isoenzimas I, II e III) 
possui alta afinidade por glicose – em concentração de 0,1 mM de glicose ela está com 50 % de 
saturação. Como a glicose que entra nos miócitos a partir do sangue (onde a concentração dela é em 
torno de 4 mM) produz uma concentração intracelular suficientemente alta para saturar a hexoquinase, 
e essa enzima normalmente age com a velocidade máxima, ou muito próximo dela. A hexoquinase é 
inibida pelo produto (glicose 6-fosfato). 
A isoenzima predominante da hexoquinase no fígado é a hexoquinase IV (glicoquinase), que possui uma 
afinidade por glicose menor - em concentração de 10 mM de glicose ela está com 50 % de saturação. 
Esta concentração de glicose é maior que a concentração normal de glicose no sangue (4 mM). Quando 
a concentração de glicose no sangue é alta, e isso acontece após uma refeição rica em carboidrato, a 
glicose em excesso é transportada para o interior do hepatócito, onde a glicoquinase a converte em 
glicose-6-fosfato. Como a glicoquinase não está saturada quando a glicose no sangue tem concentração 
de 10 mM, sua atividade continua a aumentar à medida que a concentração de glicose aumenta até 10 
mM ou mais. 
 
4) Qual é o produto final da glicólise e quais são os destinos possíveis deste produto? 
O produto final da glicólise é o piruvato, que possui três destinos possíveis: formar acetil-CoA em 
condições aeróbicas através da enzima piruvato desidrogenase; formar lactato ou etanol em condições 
anaeróbicas, dependendo do organismo. 
 
5) Quais são os tipos de fermentações e quais são os produtos finais das mesmas? Qual a função das 
fermentações? Cite exemplos de situações em que elas ocorrem? 
Em hipóxia, o piruvato é reduzido a lactato pela lactato desidrogenase (fermentação lática). Esta reação 
ocorre em situações como contração vigorosa (exercício físico intenso) ou em alguns tecidos ou tipos 
celulares (retina e eritrócitos) mesmo em condições aeróbias. Em condição anaeróbia, alguns tecidos 
vegetais, certos invertebrados, protistas e microrganismos realizam fermentação alcóolica, onde o 
piruvato é transformado em CO2 e etanol pelas enzimas álcool descarboxilase e álcool desidrogenase. As 
fermentações lática e alcoólica necessitam de NADH e produzem o NAD+, que é importante para dar 
continuidade à glicólise. 
Além destas fermentações, existe a fermentação acética, que é uma reação química que consiste na 
oxidação parcial do álcool etílico, com produção de ácido acético. Este processo é utilizado na produção 
de vinagre comum e do ácido acético industrial. É realizada por bactérias denominadas acetobactérias, 
produzindo ácido acético e dióxido de carbono. 
 
6) Sabe-seque o mercúrio inibe a enzima piruvato desidrogenase. Considerando este fato, quais as 
consequências metabólicas do envenenamento por mercúrio? Após a ingestão de glicose, essas 
consequências metabólicas se agravarão? Justifique. 
A enzima piruvato desidrogenase é responsável pela conversão irreversível do piruvato à acetil-CoA, 
uma etapa mitocondrial crucial para interligar a glicólise ao ciclo de Krebs. O mercúrio inibe a piruvato 
desidrogenase, não havendo formação de acetil-CoA a partir do piruvato, e consequentemente ocorre 
uma inibição do ciclo de Krebs e uma redução na produção de ATP. Haverá seta maneira um predomínio 
do metabolismo anaeróbico através do aumento da fermentação lática tecidual. Após a ingestão de 
glicose, essas as consequências metabólicas se agravarão, pois quando o organismo não utiliza a via 
aeróbica para obtenção de ATP, há um acúmulo de ácido lático, devido a degradação da glicose pela via 
anaeróbica. 
 
7) Explique por que o ciclo de Krebs é considerado uma via metabólica anfibólica. Qual a importância 
das reações anapleróticas? Cite as principais reações anapleróticas. 
O Ciclo de Krebs participa efetivamente tanto de processos anabólicos como catabólicos, por isso é 
considerada uma via metabólica anfibólica. Os compostos intermediários do ciclo de Krebs podem ser 
utilizados como precursores em vias biossintéticas: oxaloacetato e α-cetoglutarato formarão 
respectivamente aspartato e glutamato. A eventual retirada desses intermediários pode ser 
compensada por reações que permitem restabelecer o seu nível. Entre essas reações, que são 
chamadas de anapleróticas por serem reações de preenchimento, a mais importante é a que leva à 
formação de oxaloacetato a partir do piruvato e que é catalisada pela piruvato carboxilase, que ocorre 
no fígado e rim. O oxaloacetato também pode ser reposto pela enzima fosfoenolpiruvato 
carboxiquinase (músculo) e pela fosfoenolpiruvato carboxilase (vegetais superiores, levedura e 
bactéria), a partir de fosfoenolpiruvato. Outra reação anaplerótica adicional é calaizada pela enzima 
málica, largamente distribuída nos eucariotos e procariotos, que converte o piruvato em malato, um 
precursor do oxaloacetato. 
 
8) Dois lavradores foram contratados para pulverizar uma plantação de laranjas com agrotóxico 
contendo 0-dinitrocresol (DNOC). No final do dia, ambos começaram a passar mal e um deles 
morreu quando retornava à sede da fazenda para procurar ajuda. O médico que examinou o corpo 
observou que o rigor mortis (rigidez muscular) estava muito avançado, considerando a hora da 
morte do paciente. O outro homem foi internado com temperatura de 39,3ºC e suava 
profusamente, apresentando frequência respiratória de 60 incursões por minuto. Apesar de todo o 
esforço médico para reduzir a temperatura corporal, ele também morreu logo depois da internação. 
A necropsia revelou congestão pulmonar e leve edema. Havia uma impressionante ausência de 
gordura subcutânea e abdominal. Em vista da história clínica, uma amostra do pesticida foi enviada 
a uma Faculdade de Biotecnologia próxima, que dispunha de bons laboratórios de pesquisa. Lá, a 
amostra foi examinada em uma preparação de mitocôndrias de célula do fígado de rato, com um 
eletrodo de oxigênio (Figura 10.1) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Responda as questões de acordo com o caso clínico apresentado: 
a) Esquematize a cadeia respiratória indicando os locais da fosforilação oxidativa e os pontos de 
entrada dos substratos usados no experimento mencionado na Figura 10.1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O succinato é um intermediário do ciclo de Krebs que é oxidado pela succinato desidrogenase e gera 
fumarato e FADH2. O FADH2 é oxidado e transfere seus elétrons para o Complexo II mitocondrial. O 
malato é um intermediário do ciclo de Krebs que é oxidado pela malato desidrogenase e gera 
oxaloacetato e NADH. O NADH é oxidado e transfere seus elétrons para o Complexo I mitocondrial. 
O glutamato é um aminoácido que pode ser oxidado, gerando NADH, que também transfere seus 
elétrons para o Complexo I mitocondrial. A fosforilação oxidativa ocorre como consequência das 
diversas oxidações citadas acima, transferência de elétrons e bombeamento de prótons da matriz 
mitocondrial para o espaço intermembrana. Quando os prótons retornam para a matriz através da 
ATP sintase, ocorre a fosforilação do ADP, formando ATP. 
 
b) Por que a respiração mitocondrial depende de ADP? Explique o resultado da adição de KCN 
(cianeto de potássio). 
O consumo de oxigênio na mitocôndria ocorre quando os elétrons, provenientes de carreadores 
reduzidos (NADH e FADH2), são transferidos pelos complexos respiratórios I, II e III chegando ao 
Complexo IV onde o oxigênio é o aceptor final de elétrons. Durante a transferência de elétrons, são 
bombeados prótons da matriz mitocondrial para o espaço intermembrana nos complexos I, III e IV, 
formando um gradiente de prótons e a força próton-motriz necessária para a geração de ATP pela 
ATP sintase. A síntese de ATP ocorre pelo retorno dos prótons do espaço intermembrana para a 
matriz mitocondrial pela ATP sintase, utilizando como substrato ADP e Pi. Caso não haja ADP 
disponível, não ocorrerá síntese de ATP. A ausência de ADP reduz a velocidade de oxidação de NADH 
e FADH2 e consequente bombeamento de prótons, já que não é possível a síntese de ATP. 
O cianeto de potássio inibe a respiração celular, conforme observado na figura 10.1 A, por agir no 
complexo IV mitocondrial, responsável pela transferência dos elétrons do citocromos ao O2. 
 
c) Em circunstâncias normais, o que aconteceria depois da adição da oligomicina (inibidor da 
síntese de ATP pela ATP sintase)? O que os dados obtidos permitem concluir sobre o efeito 
metabólico do DNOC? 
Em circunstâncias normais (sem DNOC), a adição de oligomicina deveria inibir a respiração 
mitocondrial e síntese de ATP, já que esta droga inibe a ATP sintase. O DNOC age como um 
desacoplador mitocondrial, ou seja, desfaz o gradiente de prótons e inibe a síntese de ATP. Como 
resultado, o consumo de oxigênio aumenta em uma tentativa de reestabelecer o gradiente de 
prótons necessário para a síntese de ATP. Aumento do consumo de oxigênio é resultado do 
aumento de catabolismo para gerar carreadores de elétrons reduzidos (NADH e FADH2) que 
transferem seus elétrons para os complexos respiratórios. 
 
d) Por que a temperatura corporal estava elevada antes da morte do segundo lavrador? Explique a 
ausência de tecido adiposo no cadáver. 
A temperatura corporal estava elevada devido ao aumento do metabolismo catabólico que possui 
inúmeras reações exotérmicas que contribuem para geração de calor. A ausência de tecido adiposo 
pode ser atribuída ao aumento da oxidação de lipídeos para gerar acetil-Coa, que entra para o ciclo 
de Krebs e gera NADH e FADH2, que transferem seus elétrons para os complexos respiratórios, em 
uma tentativa de reestabelecer o gradiente de prótons e a síntese de ATP.