Biossinalização e visão geral do metabolismo

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Acadêmicos: Ana Paula, Bianca Marina, Kaue de Oliveira e Gabriela Maes
3º Grupo de Estudos
BIOSSINALIZAÇÃO E VISÃO GERAL DO METABOLISMO
1.Defina biossinalização (ou transdução de sinal) e explique as características gerais da mesma.
BIOSSINALIZAÇÃO ou TRANSDUÇÃO DE SINAL É a conversão de uma informação (sinal externo à membrana celular) em resposta celular, através de um processo químico (cascata de sinais interna à membrana celular). É uma propriedade universal de todas as células vivas.
Características gerais da transdução de sinal:
ESPECIFICIDADE: A molécula sinalizadora se encaixa no sitio de ligação do receptor complementar, outros sinais não se encaixam.
AMPLIFICAÇÃO: Quando enzimas ativam enzimas, o numero de moléculas afetadas aumentam geometricamente na cascata enzimática
DESSENSIBILIZAÇÃO/ADAPTAÇÃO: A ativação do receptor dispara um circuito de retroalimentação que desliga o receptor ou remove da superfície celular.
INTEGRAÇÃO: Quando dois sinais apresentam efeitos opostos sobre uma característica metabólica. É a capacidade de um sistema receber múltiplos sinais e produzir uma resposta unificada apropriada às necessidades da célula ou organismo.
2.Diferencie a ação das proteínas cinase e fosfatase.
PROTEÍNA CINASE: transfere o fosfato terminal do ATP para o grupo hidroxil da proteína (em Ser, Thr, Tyr).
PROTEÍNA FOSFATASE: catalisa a remoção do fosfato da proteína por hidrólise (em Ser, Thr, Tyr).
3. a) Descreva, de maneira geral, como ocorre a biossinalização através do estímulo de receptores associados à proteína G.
Os estímulos de receptores associados à proteína G ativam uma enzima efetora na membrana plasmática, que vai produzir segundos mensageiros, que vão desencadear a resposta celular.
b) Cite os diferentes tipos de segundos mensageiros que podem participar deste tipo de biossinalização.
Os segundos mensageiros podem ser de 3 tipos: AMPc IP3 , DAG e Ca2+ Ca2+
4. a) Explique o processo de ativação da proteína cinase A (PKA) pelo segundo mensageiro AMPc.
O AMPc produzido é um segundo mensageiro no metabolismo celular e um ativador alostérico da proteína cinase A (PKA).
O aumento da concentração de AMPc ativa a PKA (proteína cinase A). A PKA catalisa a fosforilação de outras proteínas/enzimas celulares, provocando a resposta ao estímulo da adrenalina.
b) Cite hormônios que ativam esta via.
Os agonistas -adrenérgicos (epinefrina = adrenalina), glucagon, FSH, LH, TSH, PTH.
5. Descreva como é um receptor tirosina-cinase, e o que ocorre quando a insulina se liga a seu receptor na superfície das células.
Receptores tirosina-cinase: Possuem 3 componentes essenciais: - Um local de interação com o ligante na membrana extracelular - Um segmento transmembrana - Um sítio ativo tirosina-cinase na membrana plasmática vo Quando a insulina liga-se ao seu receptor, pode iniciar duas cascatas de sinais: 1.Quando a insulina liga-se ao seu receptor, este sofre auto-fosforilação nos resíduos de Tirosina e tona-se ativo.voltada para o citosol.
2. O receptor ativado fosforila a proteína IRS-1 (também em resíduos de Tirosina).
3. Inicia-se uma cascata de sinalização intracelular
4. que promove a ativação da expressão gênica para a divisão celular.
Ou
3. A proteína IRS-1 liga-se à PI3K (fosfoinositídeo-3-cinase), que com a ajuda dos lipídeos de membrana, fosforila e ativa a PKB (proteína cinase B).
4. A PKB ativada fosforila a GSK-3 (glicogênio sintase cinase), tornando-a inativa. Assim, a glicogênio sintase (GS) permanece ativa, aumentando a síntese do glicogênio no fígado e músculo.
5. A PKB também estimula o deslocamento do transportador de glicose GLUT-4 para a membrana plasmática, aumentando a captação da glicose da corrente sanguínea
6. Explique como podem ser ativados os receptores nucleares.
1. Os hormônios são transportados até o tecido-alvo por proteínas transportadoras do soro, atravessam a membrana plasmática das células e ligam-se a receptores específicos no núcleo.
2. A ligação do hormônio altera a conformação do receptor, e assim ele pode se ligar a regiões específicas no DNA (vizinhas a genes específicos).
3. Dessa forma, ocorre regulação da transcrição dos genes, por aumento ou redução da formação de RNAm
4. resultando no produto gênico (nova proteína), em resposta ao hormônio.
7. Diferencie anabolismo e catabolismo. Cite exemplos de vias anabólicas e de vias catabólicas.
 ANABOLISMO: É a fase biossintética e consumidora de energia do metabolismo. Exemplos de processos anabólicos: 
* Formação de proteínas a partir de aminoácidos.
* Biossíntese de ácidos graxos.
* Via de produção de bases nitrogenadas a partir dos esqueletos carbônicos de aminoácidos.
CATABOLISMO: É a fase degradativa e liberadora de energia do metabolismo.
Exemplos de vias catabólicas: 
* Fermentação 
* Respiração celular 
* Respiração anaeróbia
8. Descreva o processo de digestão de carboidratos em nosso organismo, citando as principais enzimas envolvidas.
 
Na boca há amilase salivar que digere carboidratos. No estômago, o pH é menor, que inativa a amilase salivar. No duodeno o pâncreas libera amilase pancreática que é ativada em meio alcalino. Tanto a amilase salivar quanto a amilase pancreática clivam ligações tipo alpha 1->4 . No intestino é liberado enzimas glicosidases que clivam ligações alpha 1->6.
9. Em relação à glicólise, responda: 
a) Defina o que é glicólise. 
Glicólise é basicamente a quebra da glicose para gerar enrgia. A molécula energética principal da glicólise é o ATP.
b) Em quais células, e em qual região das células esta via metabólica ocorre? 
A quebra da glicose em dois piruvatos ocorre no citoplasma. Depois, os piruvatos entram na mitocôndria onde ocorre o cliclo de Krebs e fosforilação oxidativa que gera a partir deles, grandes quantidades de ATP.
c) Qual a importância do íon magnésio para esta via? 
O magnésio atua como cofatos de várias enzimas da glicose.
d) Escreva a equação total do balanço energético da glicólise em condições aeróbias. 
1 glicose -> 2 piruvato + 2 NADH + 2 ATP
e) Mostre as reações irreversíveis desta via e cite as enzimas que as catalisam. 
Na primeira reação: Fosforilação da molécula de glicose pela hexocinase forma a glicose-6-fosfato. Portanto no primeiro ponto de regulação da via ocorre uma reação irreversível.
Na terceira reação: Fosforilação da frutose-6-fosfato pela fosfofrutocinase que forma a frutose-1,6-bifosfato. Portanto no segundo ponto de regulação da via ocorre uma reação irreversivel.
Na décima reação: Formação do piruvato pela piruvato cinase. Portanto no terceiro ponto de regulação da via ocorre uma reação irreversível.
10. Além da glicose, outros monossacarídeos podem entrar na via glicolítica. Explique como isso acontece. 
Um monossacarídeo que pode entrar nessa via é a frutose. A frutose é transformada em frutose-6-fosfato através da enzima hexocinase que normalmente utiliza a glucose como substrato mas é capaz de fosforilar outros monossacarídeos, como a frutose.
11. Discuta a importância dos intermediários da glicólise serem fosforilados. 
A membrana plasmática é permeável a glicose e impermeável a glicose fosforilada, por isso, é importante que a glicose esteja fosforilada dentro da célula para que essa não saia do meio celular.
12. Descreva quais são os destinos do piruvato: 
a) em condições aeróbias. 
Os 2 piruvatos ao entrarem na membrana mitocondrial, perdem um grupo carboxílico, originando uma molécula chamada acetil, esse acetil irá se unir a coenzima A (CoA) que cataliza a reação química, formando 2 acetil-CoA, que depois  durante o ciclo de Krebs (ou ciclo do ácido cítrico) sairá a CoA, e os 2 acetil se uniram com o ácido oxalacético, formando o ácido cítrico, dando inicio ao ciclo de Krebs com o intuído de quebrar a molécula varias vezes para a liberação de energia, na forma de NADH, ATP, entre outras..
Dizemos que é aeróbico por que utiliza oxigênio.
O destino do piruvato nas condições aeróbicasé transformar-se em AcetilCoA.
b) em condições anaeróbias. 
Ocorre na ausência de oxigênio no citosol da célula, e não envolve mecanismos complexos como o Ciclo de Krebs e a cadeia respiratória. Os tipos mais comuns de fermentação são a láctica e a etanólica. O piruvato tem seu destino como lactato ou etanol.
13. a) Defina fermentação. 
Fermentação é a obtenção de ATP pela degradação anaeróbia (sem oxigênio) do piruvato. Na fermentação, a glicose é degradada, na ausência de oxigênio, em substâncias mais simples, como o ácido lático (fermentação lática) e o álcool etílico (fermentação alcoólica). Nesses processos, há um saldo de apenas duas moléculas de ATP.
b) Esquematize a reação de fermentação alcoólica, mostrando o balanço energético. Cite exemplos de tecidos ou organismos onde ocorre este processo. 
Imagem 1.
Imagem 1. Fermentação alcoólica (ou etanóica), a quebra da molécula de glicose, que forma duas muléculas de piruvato esse fenômeno é chamado de glicólise, este piruvato irá ser transformado em etanol, para isto o piruvato perde um carbono (em forma de CO2),utiliza a enzima piruvato descarboxilase e como cofator o TTP e Mg2+ transformando o piruvato em acetaldeído. Para a transformar em etanol utiliza-se a enzima álcool desidrogenase, ele utiliza o NADH e converte em NAD+ (oxidação), e ao oxidar o NADH em NAD+ acaba formando o etanol. O etanol é a forma reduzida do acetaldeído.
Imagem 2.
Imagem 2. O balanço energético. A quebra da glicose, forma duas moléculas de etanol, duas moléculas de ATP e duas moléculas de gás carbônico.
Ocorre em leveduras, que auxiliam na fabricação de pães e bebidas alcoólicas.
c) Esquematize a reação de fermentação láctica, mostrando o balanço energético. Cite exemplos de organismos onde ocorre este processo. 
Imagem 3.
Imagem 3. O piruvato sofre uma reação, de modo que nós iremos consumir NADH e gerar NAD+, para gerar a molécula de lactato, é uma reação reversível, quem faz essa reação é a enzima chama lactato-desidrogenase, ela vai reduzir a cetona do piruvato, onde a principal diferença entre o piruvato e lactato é no carbono 2 a presença de uma hidroxila ao invés de uma carbonila, Não é necessário gastar energia para que a reação aconteça. 
Imagem 4.
Imagem 4. O balanço energético. A partir da glicólise, foma-se 2 lactato + 2 ATP.
 Ocorre em: Hemáceas, retina, músculo esquelético em atividade intensa. 
14. Em relação à via das pentoses-fosfato, responda: 
a) Cite as fases desta via, o que ocorre em cada uma delas, e quais cofatores são necessários. 
Fase oxidativa: glicose-6-fosfato é convertida em pentose, ás enzimas da via requerem Mg2+ como cofator.
Fase não-oxidativa: pentose é convertida em glicose-6-fosfato, que inicia o ciclo novamente, ás enzimas da via requerem TPP (vit. b1) como cofator.
b) Em qual parte das células esta via ocorre? 
Via do fosfogliconato, é outro destino catabólico da glicose, após entrar na célula e ser fosforilada, á glicose-6-fosfato, pode também ocorrer no citosol. 
c) Qual a importância biológica desta via? 
É uma via alternativa para o metabolismo da glicose, a via pentose-fosfato produz através da oxidação do NADP+, o NADPH que é utilizado para biossíntese de ácidos graxos e esteroides; e a ribose-5-fosfato também produzida por esta via que será utilizado para síntese de nucleotídeos, DNA e RNA e coenzimas (ATP, NADH, FADH 2 , CoA ). 
d) Em quais células/tecidos a atividade desta via é mais intensa? Explique por que.
NADPH: em tecidos que as realizam (fígado, tecido adiposo, gônodas, glândula mamária, glândula adrenal).
Ribose-5-fosfato: em células que se dividem rápido (pele, medula óssea, mucosa intestinal, tumores).
GLICONEOGÊNESE 
15. Em relação à gliconeogênese, responda: 
a) Defina o que é gliconeogênese. 
Via anabólica que ocorre no fígado e, excepcionalmente no córtex renal, que é responsável pela síntese de glicose a partir de fontes que não são carboidratos: aminoácidos, lactato e glicerol.
b) Em qual região das células esta via metabólica ocorre? 
Ocorre no CITOSOL dos hepatócitos (e em menor quantidade nas células do córtex renal e nas células epiteliais do intestino delgado)
c) Em quais células/tecidos esta via metabólica ocorre? Explique por que. 
É uma via que ocorre principalmente no fígado e pouco no rim, e exportada ao cérebro e o sistema nervoso, assim como os eritrócitos, testículos, medula renal e tecidos embrionários, onde a glicose sanguínea é a única ou principal fonte de energia.
Durante o jejum aumenta a atividade lipolítica (hidrólise dos triacilgliceróis em glicerol e ácidos gordos) no tecido adiposo e a maioria dos órgãos (nomeadamente os músculos e o fígado) usa os ácidos gordos como combustível preferencial. Contudo, os eritrócitos e, em grande medida, os neurônios dependem do catabolismo da glicose para a síntese de ATP. Embora a glicogenólise hepática (formação de glicose a partir do glicogênio armazenado no fígado) seja, durante as primeiras horas de jejum, pelo menos tão importante como a gliconeogénese no processo de produção da glicose que é vertido no sangue, à medida que o tempo de jejum aumenta a gliconeogénese vai sendo cada vez mais importante. Após 12-15 horas de jejum cerca de metade da glicose produzida pelo fígado provém da gliconeogénese e a outra metade da glicogenólise. 
Quer na glicogenólise quer na gliconeogénese forma-se glicose-6-fosfato e a formação de glicose só pode ocorrer por hidrólise deste composto. Porque a enzima responsável por este processo existe no fígado, no rim e no intestino delgado (enterócitos) são estes os órgãos responsáveis pela manutenção de níveis de glicemia compatíveis com a atividade dos neurônios e dos eritrócitos durante o jejum. O fígado tem, neste contexto, um papel mais importante que o rim e muito mais importante que o intestino. O GLUT 2 é o transportador (uniporter) para a glicose que está presente na membrana citoplasmática destes órgãos: quando a concentração de glicose é maior no citoplasma que no plasma sanguíneo a glicose sai das células e o contrário acontece na condição inversa.
d) Cite exemplos de compostos gliconeogênicos (precursores com 3 ou 4 átomos de carbono). 
A proteína gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase (GAPDH/GAP) é uma enzima essencial na via da glicólise e da gliconeogênese, catalisando a fosforilação oxidativa do substrato gliceraldeído-3-fosfato em 1,3- bifosfoglicerato na presença de NAD+ e fosfato inorgânico, sendo também capaz de catalisar a reação inversa. Além desta atividade, a proteína pode ainda desempenhar outras funções importantes em vários processos celulares.
O oxalacetato é um ácido acético proveniente das vias de oxidação de glícidos, lípidos e proteínas, combinam-se com a coenzima A formando o Acetil - CoA. A entrada deste composto no ciclo de Krebs ocorre pela combinação do ácido acético com o oxalacetato presente na matriz mitocondrial. Esta etapa resulta na formação do primeiro produto do ciclo de Krebs, o citrato. O coenzima A, sai da reação como CoASH.
e) Escreva a equação total do balanço energético da gliconeogênese. 
2 piruvato + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H+ + 4 H2O
↓
1 glicose + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi + 2 NAD+
								
f) Explique a importância biológica desta via. 
A gliconeogenese é de grande importância para manter a glicemia durante o estado de jejum prolongado
16. Compare as três reações irreversíveis da glicólise com as reações da gliconeogênese que as substituem (contorno das reações irreversíveis da glicólise = pontos de regulação). Para cada uma delas, mostre as diferenças existentes quanto a reagentes, produtos, enzimas e cofatores. 
1ª. REAÇÃO: conversão do piruvato em fosfoenolpiruvato (PEP) 
a) Quando o precursor é o lactato: proveniente do músculo no exercício intenso ou dos eritrócitos.
b) Quando os precursores são outros: intermediários do ciclo do ácido cítrico, aminoácidos glicogênicos (Catabolismo de aminoácidos = BioquímicaAnimal). Há consumo de 2 ATP e de 2 GTP. 
Duas enzimas principais: piruvato carboxilase mitocondrial, PEP-carboxicinase mitocondrial e citosólica
Quando o precursor é o lactato:
2 lactato são transformados em 2 piruvato pela lactato desidrogenase (reação inversa da fermentação). 
Os 2 piruvato são levados para a mitocôndria e transformados em 2 oxaloacetato pela PIRUVATO CARBOXILASE mitocondrial. Biotina (B7) é cofator. Enzima é ativada por Acetil-CoA, proveniente da oxidação de ácidos graxos. Consumo de 2 ATP. 
Os 2 oxaloacetato são transformados em 2 fosfoenolpiruvato (PEP) pela PEP-CARBOXICINASE mitocondrial. Mg2+ é cofator. Consumo de 2 GTP. 
Os 2 PEP são transportados ao citosol para continuar a gliconeogênese. Obs.: membrana mitocondrial não possui transportador de oxaloacetato (ele fica namitocôndria para entrar no CK). ATP ADP + Pi GTP GDP + Pi biotina Mg2+ 
Quando os precursores são outros:
2 piruvato são levados para a mitocôndria e transformados em 2 oxaloacetato pela PIRUVATO CARBOXILASE mitocondrial. Biotina (B7) é cofator. Enzima é ativada por Acetil-CoA, proveniente da oxidação de ácidos graxos. Consumo de 2 ATP. 
Os 2 oxaloacetato são transformados em 2 malato pela MALATO DESIDROGENASE mitocondrial. Consumo de 2 NADH. 
Os 2 malato são transportados ao citosol, sofrem ação da MALATO DESIDROGENASE citosólica e formam 2 oxaloacetato. Formação de 2 NADH. 
Os 2 oxaloacetato são transformados em 2 fosfoenolpiruvato (PEP) pela PEP-CARBOXICINASE citosólica. Mg2+ é cofator. Consumo de 2 GTP.
2ª. REAÇÃO: conversão de frutose-1,6-bifosfato em frutose-6-fosfato 
Reação de hidrólise, catalisada pela FRUTOSE-1,6-BIFOSFATASE. Mg2+ é seu cofator. É o principal ponto de regulação.
3ª. REAÇÃO: conversão de glicose-6-fosfato em glicose 
Reação de hidrólise, catalisada pela GLICOSE-6-FOSFATASE, presente apenas no retículo endoplasmático de hepatócitos, células renais e células epiteliais do intestino delgado. Mg2+ é seu cofator.
17. O lactato produzido pelo músculo pode ser convertido em glicose no fígado. Sabendo disso, responda: 
a) Em que condições o músculo produz lactato? 
O lactato é produzido pelo organismo após a queima da glicose (glicólise), para o fornecimento de energia sem a presença de oxigênio (metabolismo anaeróbico láctico). Em atividades físicas de longa duração, o suprimento de oxigênio nem sempre é suficiente. O organismo busca esta energia em fontes alternativas, produzindo o lactato. O acúmulo desta substância nos músculos pode gerar uma hiperacidez, que causa dor e desconforto logo após o exercício. 
A produção de energia para a realização de um exercício físico se dá a partir da “quebra” de uma molécula de ATP (adenosina trifosfato), que funciona como o combustível para a contração muscular. Existem 3 mecanismos principais para produção dessa energia:
1. Sistema do metabolismo anaeróbico aláctico (sistema ATP-creatina-fosfato), ou seja, sem a produção de lactato. 
2. Sistema do metabolismo anaeróbico láctico (glicólise), ou seja, que leva à produção do lactato.
3. Sistema de metabolismo aeróbico, também sem a produção de lactato.
No metabolismo anaeróbico láctico, o lactato é o produto final da degradação da molécula de glicose (açúcar) utilizada para a produção de energia (ATP). Isso ocorre porque não há oxigênio (O2) suficiente para que ocorra o sistema de metabolismo aeróbico. Na realidade, o metabolismo anaeróbico láctico, com a produção do lactato, é o principal sistema de produção de energia que é utilizado em atividades físicas que têm duração relativamente curta, de 30 segundos a 90 segundos.
O lactato produzido no músculo vai para a corrente sanguínea e daí para o fígado, onde é removido do sangue e metabolizado.A concentração de lactato no sangue é de aproximadamente 1,0 mmol/L a 1,8 mmol/L, em repouso e durante o exercício leve, quando existe equilíbrio entre sua produção muscular e sua remoção hepática. À medida que o exercício físico se intensifica, ocorre um desequilíbrio entre a produção e remoção, com consequente acúmulo de lactato no sangue e aumento de sua concentração.
b) Escreva a equação geral da conversão lactato → glicose. 
2 lactato (C3H6O3) + 2 GTP + 4 ATP + 6 H2O
↓
glicose (C6H12O6) + 2 GDP +4 ADP + 6 Pi
c) Explique por que esta conversão não ocorre no músculo.
O sistema enzimático para a conversão do lactato em glicose só existe no fígado, assim sendo, o lactato deverá ser transportado pelo sangue ao fígado onde ocorrerá a transformação do mesmo.
Depois que o lactato é formado no músculo, se difunde rapidamente para o espaço intersticial e para o sangue, para ser tamponado e removido do local do metabolismo energético, permitindo maior produção de energia até o limite da fadiga, em que o ácido láctico pode se acumular até um ponto em que o músculo não consegue mais desempenhar sua função (até que o nível de ácido láctico seja reduzido).