Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
CARBOIDRATOS – QUÍMICA E METABOLISMO • Importância: - Servem como fontes e armazenamento de energia e como intermediários metabólicos; - Formam parte do arcabouço estrutural das moléculas de DNA e RNA; - São elementos estruturais das paredes celulares de bactérias e vegetais; - Podem se ligar a proteínas e lipídeos formando moléculas mais complexas (glicoproteínas e glicolipídeos) que podem agir como mediadores de interações entre as células e entre elas e outros elementos do ambiente celular Nosso principal monossacarídeo é a glicose, figura 1. Figura 1. Estrutura cíclica da glicose A glicose é metabolizada intracelularmente em uma via conhecida como glicolítica ou glicólise. Esta via intracelular depende da entrada de glicose nas células, e esta entrada é mediada por transportadores de glicose chamados GLUTs que transportam a glicose por difusão facilitada. Isto se deve ao fato de que a glicose não interage com a membrana lipídica da célula. A figura abaixo representa uma visão geral do metabolismo da glicose no organismo. Vemos nessa figura que quatro tecidos são responsáveis pela maior captação de glicose no organismo, são eles o cérebro (SNC), fígado, músculo esquelético e tecido adiposo. Via glicolítica É a via de degradação da glicose com objetivo de gerar ATP para o metabolismo celular, e blocos de construção (esqueletos carbonados) para servirem de matéria-prima na síntese de outros compostos. Nesta via a glicose é seqüencialmente transformada em piruvato (ácido pirúvico) com a produção de duas moléculas de ATP como saldo final da via. Consumo da primeira de molécula de ATP Consumo da segunda Molécula de ATP Consumo da primeira de molécula de ATP Consumo da segunda Molécula de ATP Quando a glicose entra na célula é fosforilada pela hexokinase em tecidos periféricos, SNC e músculo esquelético, no entanto no fígado ela é fosforilada pela glicokinase, sendo que a diferença básica está no Km das duas enzimas pela glicose. A hexokinase possui um Km muito baixo pela glicose e por isso pode fosforilar até as menores concentrações de glicose, já a glicokinase possui um Km alto pela glicose o que faz com que o fígado não possui uma alta afinidade pela glicose, e só a metabolize quando esta está em excesso. Controle da Via Glicolítica A via glicolítica é controlada pela razão ATP/ADP, pelos níveis de citrato (intermediário do ciclo do ácido cítrico) e pela concentração de H+. Esta regulação é feita na enzima PFK-1, que é a enzima chave da via glicolítica. A inibição da PFK-1 pelos seus moduladores é mostrada na figura abaixo. PFK-1 Frutose 1,6-bisfosfato Frutose 6-fosfato ATP ADP Várias etapas Piruvato + 2ATP quando [ATP] (-) Acetil-CoA [citrato] (-) O2 Lactato ( H+) (-) PFK-1 Frutose 1,6-bisfosfato Frutose 6-fosfato ATP ADP Várias etapas Piruvato + 2ATP quando [ATP] (-) Acetil-CoA [citrato] (-) O2 Lactato ( H+) (-) Destinos do Piruvato Em células de levedura o piruvato, em condições anaeróbias é fermentado até etanol, já em células de mamífero sob as mesmas condições o piruvato é convertido em lactato, segundo a reação abaixo: Esta reação é fundamental pois a geração de lactato através da lactato desidrogenase (LDH) regenera o NAD+ que cofator enzimático fundamental para a via glicolítica (reação 6). Figura: Representação esquemática da importância da renovação do NAD+ para a manutenção da via glicolítica. Já na presença de oxigênio (condição aeróbia) o piruvato é convertido em acetil CoA, no interior da mitocôndria, pelo complexo enzimático piruvato desidrogenase. E este acetil- CoA dá início ao ciclo do ácido cítrico. O nosso organismo possui a capacidade de metabolizar a frutose e a galactose, e faz isso através da entrada destes monossacarídeos na via glicolítica. Entrada de Frutose e Galactose na via glicolítica Pode-se notar que a galactose é convertida em glicose 6-Pi e entrada da frutose é diferente no fígado e tec. adiposo. No tecido adiposo ela é fosforilada pela hexokinase e no fígado ela é convertida a diidroxiacetona-Pi e Gliceraldeído 3-Pi. Ciclo do ácido cítrico Via do metabolismo oxidativo que ocorre no interior da mitocôndria pela transformação do piruvato em acetil-CoA, pelo complexo piruvato desidrogenase. Esta via é de suma importância para as células, pois é uma via de convergência de substratos, ou seja, produtos de degradação de outros substratos também podem seguir por esta via como o do catabolismo das proteínas e lipídios. E quando os intermediários do ciclo estão em alta (se acumulando) são desviados para síntese de outros compostos como lipídios e proteínas. Figura: Alguns destinos possíveis para os intermediários do ciclo do ácido cítrico O complexo piruvato desidrogenase é dependente de tiamina pirofosfato (TPP) como cofator, a ausência de tiamina na dieta leva ao decréscimo nos níveis de TPP e sem este cofator o complexo piruvato desidrogenase não funciona levando ao aumento nos níveis de lactato no organismo e principalmente no SNC causando uma doença conhecida como beribéri. O ciclo: Esta via também é responsável pela geração de NADH e FADH2, que são chamados de potenciais redutores. Estas moléculas serão oxidadas também na mitocôndria para produção de ATP em uma via chamada de cadeia de transporte de elétrons. Cadeia de Transporte de elétrons (Fosforilação oxidativa) Nesta via metabólica acontece a transferência dos elétrons do NADH e do FADH2 para o oxigênio e acoplado a esta transferência, ocorre a síntese do ATP. A transferência de elétrons é realizada por 4 complexos protéicos, sendo que três deles são também bombas de prótons capazes de bombear os prótons da matriz mitocôndrial para o espaço intermembranar. A figura abaixo representa o resumo do que acontece na cadeia de transporte de elétrons. O bombeamento de prótons pelos complexos protéicos da membrana mitocôndrial interna para o espaço intermembranar cria um gradiente de prótons levando a diferença de polaridade da membrana, um gradiente favorável ao retorno destes prótons pela porção F0 da F0/F1-ATPase (ou ATP sintase), que é responsável pela síntese de ATP pela mitocôndria. Complexo I Complexo III Complexo IV ATP sintase Espaço intermembranar Matriz mitocondrial Complexo II Complexo I Complexo III Complexo IV ATP sintase Espaçointermembranar Matriz mitocondrial Complexo I Complexo III Complexo IV ATP sintase Espaço intermembranar Matriz mitocondrial Complexo II O NADH se liga ao complexo I e transfere seus elétrons para este complexo, iniciando a cadeia de transporte de elétrons. Este complexo é um canal de prótons e bombeia 4 prótons para o espaço intermembranar e transfere elétrons para a ubiquinona (uma proteína inserida na membrana), e esta transfere os elétrons para o complexo III (bomba de prótons) que bombeia mais 2 prótons para o espaço intermembranar. Os elétrons são trans portados pelo complexo III até o citocromo C (que só transfere elétrons) e deste para o complexo IV que além de ser uma bomba de prótons (bombeia 4 prótons) transfere elétrons para o oxigênio reduzindo-o até H2O. Desta maneira, a cada um NADH que inicia esta via, 10 prótons são bombeados para o espaço intermembranar. Já o FADH2 possui afinidade ao complexo II, que não é uma bomba de prótons, transfere seus elétrons para a ubiquinona e daí em diante tudo se repete. O FADH2 é responsável pelo bombeamento de 6 prótons para o espaço intermembranar. Estes prótons retornam através da ATP sintase e são responsáveis pela maior síntese de ATP que acontece na mitocôndria. Contando com os dois ATPs produzidos na via glicolítica têm-se um total de 38 moléculas de ATP por molécula de glicose consumida. Regulação da fosforilação oxidativa Os níveis de ADP podem regular a velocidade desta via, aumentando o consumo de oxigênio, como mostra a figura abaixo. Metabolismo do Glicogênio O glicogênio é um polissacarídeo de glicose sintetizado pelo fígado e por músculos esqueléticos e cardíaco. Como é ramificado possui dois tipos de ligações glicosídicas α 1,4 e α 1,6. A estrutura do glicogênio é representada abaixo. Ele é armazenado em grânulos no citoplasma destas células e sua principal função é ser uma reserva de glicose em períodos de hipoglicemia. Em relação ao fornecimento de energia, o glicogênio não tão eficiente quanto os lipídios, no entanto é uma fonte rápida de glicose para o organismo, já que tecidos como os do SNC dão preferência à glicose. O fígado tem importância fundamental neste processo, pois é ele que degrada o seu glicogênio para o restabelecimento da glicemia, o glicogênio muscular é somente utilizado pelo músculo. Degradação do glicogênio O esquema abaixo demonstra, de maneira sucinta, a degradação do glicogênio. Produto da degradação do glicogênio Conversão para glicose 6-Pi para a posterior degradação Produto da degradação do glicogênio Conversão para glicose 6-Pi para a posterior degradação A principal enzima da via de degradação do glicogênio é a glicogênio fosforilase que está inativa (forma B). Quando a concentração de glicose no sangue cai ou quando há uma necessidade de glicose ou ATP (exercício físico), está enzima é ativada e convertida na sua forma A. A glicogênio fosforilase catalisa a quebra do glicogênio por adição de fosfato inorgânico (Pi) e esta reação é conhecida como fosforólise (reação mostrada na figura abaixo). O mais importante é que o fosfato não vem do ATP, preservando o ATP celular. Mecanismo de Ativação da degradação do glicogênio Glucagon ou cortisol (cada um em seu receptor) [glicose] sangue Célula α pancreática Supra-renal glucagon Cortisol adrenalina Glucagon ou cortisol (cada um em seu receptor) [glicose] sangue Célula α pancreática Supra-renal glucagon Cortisol adrenalina Podemos notar que a partir da queda dos níveis de glicose plasmáticos, temos a ativação da liberação dos hormônios: glucagon (pancreático), adrenalina e cortisol (gçândula supre- renal) que ativam a degradação do glicogênio tanto muscular quanto hepático. A diferença é que em células musculares não há receptores para o glucagon. Degradação celular do glicogênio Glicogênio ramificado Redução do tamanho do glicogênio (atividade da glicogênio fosforilase) Transferência dos resíduos de glicose da ramificação para cadeia principal Glicogênio ramificado Redução do tamanho do glicogênio (atividade da glicogênio fosforilase) Transferência dos resíduos de glicose da ramificação para cadeia principal O glicogênio ramificado sofre a ação da glicogênio fosforilase, que diminui o tamanho do glicogênio hidrolisando as ligações α-1,4 e liberando a glicose 1-Pi. Quando o faltam quatro resíduos de glicose antes da ramificação, a fosforilase perde a atividade e é rearranjado pela atividade da transferase que retira os resíduos de glicose da ramificação e transfere para a cadeia principal. A ramificação é desfeita pela ação da enzima desramificadora (α-1,6-glicosidase) que transforma o glicogênio em uma molécula linear que posteriormente é quebrado pela fosforilase novamente liberando moléculas de glicose 1-Pi. Diferença entre fígado e músculo Glicose 1-Pi fosfoglicoisomerase Glicose 6-Pifígado Glicose 6-fosfatase Glicose (livre) Sangue (restabelecimento da glicemia) músculo Via glicolítica Produção de ATP (consumo próprio) Devido a presença da enzima glicose 6-fosfatase, o fígado é o principal órgão responsável pelo restabelecimento da glicemia. Glicose 1-Pi fosfoglicoisomerase Glicose 6-Pifígado Glicose 6-fosfatase Glicose (livre) Sangue (restabelecimento da glicemia) músculo Via glicolítica Produção de ATP (consumo próprio) Devido a presença da enzima glicose 6-fosfatase, o fígado é o principal órgão responsável pelo restabelecimento da glicemia. Síntese do Glicogênio A síntese do glicogênio é ativada quando há grande oferta de glicose, ou seja, a glicose está alta no sangue. Isto já nos diz que a insulina, hormônio liberado em uma alta de glicose no sangue, ativa a sua síntese. Para as células hepáticas e musculares iniciarem a síntese do glicogênio, é necessária uma molécula doadora de glicose, e esta molécula é a UDP-glicose. A figura abaixo mostra a síntese da UDP-glicose. A glicose 1-Pi é obtida através do acúmulo da glicose 6-Pi dentro da célula (hepática e muscular). Não esqueçam que a fosfoglicomutase catalisa a reação nos dois sentidos, e, portanto quando acumula glicose 6-Pi (condição quando há o excesso de ATP na célula), esta enzima a converte em glicose 1-Pi. Para a síntese também é necessária a presença de uma molécula capaz de iniciá-la, pois a enzima responsável por esta etapa (glicogênio sintase) não consegue montar o glicogênio. Por isso uma proteína chamada glicogenina é responsável pela montagem do pequeno glicogênio (iniciadora da síntese). Figura: ação da glicogenina Figura: Síntese do glicogênio Regulação Hormonal Glucagon Ativação da glicogênio fosforilase por fosforilação Figura: Ativação da glicogênio fosforilase pela adrenalina e glucagon. Figura: Ativação da glicogênio sintase pela insulina Glucagon Ativação da glicogênio fosforilase por fosforilação Figura: Ativação da glicogênio fosforilase pela adrenalina e glucagon. Figura: Ativação da glicogênio sintase pela insulina A insulina, glucagon, adrenalina (epinefrina) e o cortisol possuem influência no metabolismo intermediário. Em relação ao que foi visto atéagora, vamos relacionar a importância destes hormônios nestas vias metabólicas. As figuras abaixo elucidam a participação destes hormônios. Além de influência na síntese do glicogênio, a insulina exerce outras ações no organismo, sendo representadas na figura abaixo. Metabolismo dos Lipidios Nosso organismo possui a capacidade de acumular energia na forma de gordura, e esta é sintetizada pelo fígado e pelo tecido adiposo, e armazenada sob a forma de triacilglicerol neste último. Quando o há no organismo um baixo consumo de energia (ATP) e um aumento na ingestão de carboidratos (glicose) a necessidade de ATP é baixa e a glicose se acumula. Para não levar a uma condição de hiperglicemia, o fígado e tecido adiposo, principalmente, captam esta glicose e a convertem em lipídios (ácidos graxos e triacilglicerol) que são armazenados no tecido adiposo. Devido a esse fato, a insulina possui uma participação ativa na estimulação da síntese de lipídios pelo fígado e tecido adiposo. [Glicose] insulina Aumento da captação hepática Aumento da captação pelo tecido adiposo Produção de Acetil-CoA Produção de Acetil-CoA Saída do Acetil- CoA da mitocôndria Síntese de ácidos graxos [Glicose] insulina Aumento da captação hepática Aumento da captação pelo tecido adiposo Produção de Acetil-CoA Produção de Acetil-CoA Saída do Acetil- CoA da mitocôndria Síntese de ácidos graxos Esquema: Ativação da síntese de lipídios pela ação da insulina. A partir da saída do acetil-CoA da mitocôndria para o citoplasma inicia a síntese dos ácidos graxos através da produção de um intermediário chamado de malonil-CoA que será o doador de carbonos para o aumento da cadeia. Mas primeiro estas moléculas terão que ser ligadas à proteína carreadora de acila (ACP), que acontece no citoplasma. JESSICA Realce O esquema abaixo elucida o aumento da cadeia pela adição do malonil-CoA. Figura: Síntese de lipídios – O malonil-ACP se condensa com o acetil-ACP alongando a cadeia em dois carbonos. Este ciclo se repete até a formação do Palmitoil-ACP (ácido graxo de 16 C), que após este processo perde a ligação com a ACP. O fígado após a síntese, os exporta para o tecido adiposo onde são armazenados. Desta maneira uma dieta rica em carboidratos favorece ao acúmulo destes sob a forma de ácidos graxos que são armazenados sob a forma de triacilglicerol no tecido adiposo. Estas reservas são utilizadas quando há necessidade de energia pelo organismo. Degradação dos Ácidos Graxos Quando o organismo necessita de energia para manter processos fisiológicos, ou quando é submetido ao exercício prolongado, situações onde a oferta de glicose não é grande, os lipídios são responsáveis pelo suprimento desta demanda. - Ativação da Degradação Figura: Mobilização dos triacilgliceróis no tecido adiposo. O hormônio (principalmente a adrenalina) se liga ao seu receptor e ativa a degradação do TAG no tecido adiposo. Devido a esse fato tem-se o aumento de ácidos graxos Circulantes e o aumento da incorporação celular destes, mas principalmente pelo músculo esquelético. Glicose Célula α-pancreática Supra-renal Glucagon adrenalina Lipólise no tecido adiposo Figura: Mobilização dos triacilgliceróis no tecido adiposo. O hormônio (principalmente a adrenalina) se liga ao seu receptor e ativa a degradação do TAG no tecido adiposo. Devido a esse fato tem-se o aumento de ácidos graxos Circulantes e o aumento da incorporação celular destes, mas principalmente pelo músculo esquelético. Glicose Célula α-pancreática Supra-renal Glucagon adrenalina Lipólise no tecido adiposo A figura mostra que em condições em que a glicemia abaixa a utilização de ácidos graxos pelas células do organismo aumenta, devido à necessidade de ATP. Esta é a primeira etapa da degradação dos lipídios, que é a lipólise no tecido adiposo. As etapas seguintes são a ativação destes ácidos graxos (ligação à coenzima A) e sua degradação no interior da mitocôndria. Ativação dos Ácidos graxos. Assim que entram na célula (por difusão simples) os ácidos graxos (acilas) são ativados pela ligação à coenzima A (CoA), e esta ligação é feita pela enzima acil-CoA sintetase que catalisa a etapa limitante na degradação. Figura: Ativação do ácido graxo pela acil-CoA sintetaseFigura: Ativação do ácido graxo pela acil-CoA sintetase Após esta etapa o acil-CoA é transportado para o interior da mitocôndria para serem oxidados. Este transporte é dependente de carnitina e é feito pelas enzimas carnitina aciltransferase I e II (CAT I e CAT II) e pela translocase. Somente moléculas de acil-CoA de cadeia longa (mais de 10 carbonos) necessitam deste transporte, moléculas menores que isso atravessam livremente as membranas mitocôndriais externa e interna. Figura: Transporte do acilCoA de cadeia longa para o interior da mitocôndria CAT I CAT II Acil- CoA de cadeia longa Após a entrada do acil-CoA na mitocôndria , segue a degradação deste até gerar várias moléculas de acetil-CoA que são encaminhadas para o ciclo do ácido cítrico, onde vão gerar NADH e FADH2 que vão ser oxidados na cadeia de transporte de elétrons formando ATP. Degradação no interior da mitocôndria Figura: β-oxidação. A degradação dos ácidos graxos, na mitocôndria, se dá no carbono β e o produto da degradação é o acetil-CoA. Quando a velocidade de degradação dos lipídios é muito maior que a velocidade da via glicolítica, ou quando a concentração dos intermediários da via glicolítica está baixa há o acúmulo de acetil-CoA que é desviado, no fígado, para produção de substâncias que apresentam um caráter ácido conhecidos como corpos cetônicos. Produção de Corpos cetônicos Figura: O esquema acima mostra a produção, em grande concentração, de acetil-CoA devido ao aumento da oxidação dos lipídios. Este acetil-CoA não encontra concentraçõe de oxaloacetato que promovam a entrada deste acetil-CoA no ciclo do ciclo do ácido cítrico e, portanto ele é desviado para a produção de acetoacetato e β-hidroxibutirato (corpos cetônicos). Figura: O esquema acima mostra a produção, em grande concentração, de acetil-CoA devido ao aumento da oxidação dos lipídios. Este acetil-CoA não encontra concentraçõe de oxaloacetato que promovam a entrada deste acetil-CoA no ciclo do ciclo do ácido cítrico e, portanto ele é desviado para a produção de acetoacetato e β-hidroxibutirato (corpos cetônicos). Gliconeogênese Esta via é definida como a síntese de glicose a partir de substratos de origem não glicídica como aminoácidos (principalmente a alanina), glicerol (do metabolismo do triacilglicerol) e lactato. É responsável pela manutenção dos níveis de glicose plasmático quando estes estão muito baixos. Isto é devido ao fato de que do organismo possuir um tecido que dá preferência pela glicose que é tecido nervoso central, e as hemácias também sobrevivem pela quebra daglicose. O fígado é o principal órgão responsável por esta via, mas os rins participam ativamente quando esta condição de queda da glicemia se estende por longos períodos de tempo. Ativação da Gliconeogênese glicose Célula α-pancreática Medula Supra-renal Córtex supra-renal Adenohipófise Glucagon Adrenalina Cortisol Hormônio do crescimento humano(HGh) + + + + + Gliconeogênese glicose Célula α-pancreática Medula Supra-renal Córtex supra-renal Adenohipófise ucagon Adrenalina Cortisol Hormônio do crescimento humano(HGh) + + + + + Gliconeogênese Gl Figura: Controle Hormonal sobre a gliconeogênese hepática. A figura acima mostra como diversos hormônios exercem controle sobre a gliconeogênese no fígado com o objetivo de elevar a taxa de glicose no sangue. O papel da adrenalina é de extrema importância devido ao fato dela estimular diretamente a gliconeogênese e também por aumentar a secreção de glucagon por estimular a célula α-pancreática, mas cortisol e HGh também participam ativamente deste processo. A gliconeogênese não puramente a reversão da via glicolítica, pois nesta última existem passos que são irreversíveis e por isso são feitos “desvios” que são catlisados por enzimas específicas da via gliconeogênica. Via Gliconeogênica A enzima hepática glicose-6 fosfatase, que também participa da degradação do glicogênio, é indispensável nesta via devido ao fato de ser ela quem faz com que a glicose seja defosforilada e se torne livre para ser secretada na circulação.
Compartilhar