Metabolismo e Bioenergética

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5/30/2014
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Profa. Dra. Daniela L. Ambrósio
Bioenergética, Glicólise Bioenergética, Glicólise 
e Gliconeogênesee Gliconeogênese
Metabolismo
Vias metabólicas
(catalisadas por enzimas)
Obtenção de energia química - energia solar ou 
degradação de nutrientes ricos em energia
Converter moléculas dos nutrientes em outras 
necessárias para o funcionamento celular 
(precursores) 
Polimerizar precursores monoméricos em 
macromoléculas (proteínas, ácidos nucleicos e 
polissacarídeos) 
Sintetizar e degradar biomoléculas (ex. lipídeos 
de membrana, mensageiros intracelulares, 
pigmentos, etc) 
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Metabolismo: processo pelo qual as células utilizam a energia necessária
obtida pela conversão de nutrientes alimentares (gorduras, proteínas, CHs)
em uma forma de energia biologicamente utilizável
- Os organismos podem ser divididos de acordo com a forma pela qual eles
obtém carbono do meio ambiente
Autotróficos
Heterotróficos
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- autotróficos: CO2 atmosférico como fonte de C para a síntese de
biomoléculas - relativamente autossuficientes.
- heterotróficos: o C e obtido a partir do
meio ambiente na forma de moléculas
orgânicas relativamente complexas
como a glicose.
- Alguns organismos autotróficos,
como as cianobactérias, também
podem utilizar N atmosférico para a
produção de compostos nitrogenados
- Fonte de N para a síntese de aminoácidos, nucleotídeos e outros
componentes
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- A reciclagem de C, O e N dependem do equilíbrio adequado entre as
atividades dos organismos autotróficos e heterotróficos na biosfera
- Esses ciclos são impulsionados por um enorme fluxo de energia na biosfera
- Nos processos metabólicos, existe uma perda de energia útil (energia
livre) e um aumento na energia não utilizável (calor e entropia)
METABOLISMO
- Soma de todas as transformações químicas que ocorrem em uma célula
ou organismo, por uma serie de reações catalisadas por enzimas que
constituem as vias metabólicas – catabolismo e anabolismo
- Metabólitos: intermediários metabólicos formados durante a conversão de 
um precursor em um produto
CATABOLISMO:
Moléculas nutrientes orgânicas 
são convertidas em produtos finais 
menores e mais simples, liberando 
energia - degradação
ANABOLISMO:
Precursores pequenos e simples 
vão formar moléculas maiores e 
mais complexas – biossíntese
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- As enzimas realizam tanto a degradação quanto a síntese de biomoléculas
nas vias metabólicas
- Necessidade de regulação dos processos catabólicos e anabólicos
(ativação e supressão)
REGULAÇÃO:
1) Disponibilidade do substrato
2) Regulação alostérica (por um intermediário metabólico ou por uma
coenzima)
- A energia química dos combustíveis e utilizada para a síntese de
macromoléculas complexas, formação de gradientes de concentração ou
elétricos, movimento, calor e em alguns organismos, em luz. E os
organismos fotossintéticos transformam a energia luminosa em todas
essas outras formas de energia
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- Bioenergética: estudo quantitativo das transformações entre as várias
formas de energia nas células vivas, bem como a natureza e a função dos
processos envolvidos
1ª Lei da termodinâmica: em qualquer transformação física ou química, a
quantidade total de energia permanece constante, embora possa mudar a
forma de energia.
2ª Lei da termodinâmica: todas as transformações químicas tendem a
ocorrer em uma direção tal que a energia útil sofre degradação irreversível
para uma forma desordenada chamada ENTROPIA (energia inútil).
Bioenergética e termodinâmica
- Entropia (S): fração de energia perdida para o universo toda vez que uma
transformação ocorre. Nas transformações espontâneas é sempre positiva e
corresponde ao grau de desordem do sistema.
Adquire energia livre
ΔG positivo
reação endergônica
- Entalpia (H): é o conteúdo de calor do sistema reagente
- Energia livre de Gibbs (G): quantidade de energia capaz de realizar trabalho 
durante uma reação a temperatura e pressão constantes
Liberação de calor
ΔH negativo
reação exotérmica
Liberacao de energia livre
ΔG negativo
reação exergônica
Adquire de calor
ΔH positivo
reação endotérmica
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- As 3 formas de energia estão relacionadas pela equação:
- Em resumo, os organismos vivos preservam sua organização interna por
captarem a energia livre do meio na forma de nutrientes ou luz solar, e
devolverem a ele uma quantidade de energia igual, na forma de calor e
entropia
- As células heterotróficas e fotossintetizantes transformam a energia livre
adquirida em ATP e em outros compostos ricos em energia, capazes de
fornecer energia para a realização de trabalho biológico em temperatura
constante.
G = H - TS
G = Variação de energia livre do sistema (kJ/mol ou kcal/mol)
H = Variação de energia calorífica do sistema - Entalpia (H)
S = Variação de entropia (S)
T = Temperatura absoluta (K)
- A variação de energia livre em uma reação esta diretamente relacionada ao
equilíbrio:
ΔG negativo – reação ocorre no sentido direto
ΔG igual a zero – reação em equilíbrio
ΔG positivo – reação ocorre no sentido inverso
- Os principais compostos celulares que apresentam um ΔG alto de hidrólise
(altamente energéticos) são:
A) Compostos pirofosfatados: nucleotídeos (Ex. ATP)
ATP + H2O ADP + Pi
ΔG = -7300 cal/mol
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B) Fosfatos de acila: ésteres fosfóricos dos ácidos carboxílicos (Ex. ácido
1,3-difosfoglicérico)
ácido 1,3-difosfoglicérico + H2O ácido 3-fosfoglicérico + Pi
ΔG = -11800 cal/mol
C) Fosfato enólico (Ex. ácido fosfoenolpirúvico)
ácido fosfoenolpirúvico + H2O ácido pirúvico + Pi
ΔG = -14800 cal/mol
D) Tioésteres (Ex. acetil-coenzima-A– acetil-CoA)
ΔG = -7500 cal/mol
H2O+
O
CH3 C S CoA CH3 C OH 
O
+ Coenzima A
E) Fosfatos de guanidina: fosfatos de creatina e de arginina (Ex.
fosfocreatina)
ΔG = -10300 cal/mol
H
Gº' = -10300 Cal/Mol
Creatina
+ HO P OH
OH
O
H2N C N CH2
NH
CH3
H2O+
Fosfocreatina
HO P N C N CH2
O
O NH
CH3H
COOH COOH
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- Acoplamento de reações: aproveitamento da energia livre liberada na
catálise para realizar uma reação anabólica
- A maior parte da energia produzida na célula (mais de 90%) origina-se das
reações de oxido–redução. Essas reações envolvem a perda de elétrons por
substâncias que serão oxidadas e o ganho de elétrons pelas que serão
reduzidas
- Esse processo de transferência de elétrons é exergônico e é realizado por
uma série de transportadores até o oxigênio molecular. A energia liberada é
utilizada na síntese de ATP
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METABOLISMO DOS CARBOIDRATOS
- A glicose tem um papel fundamental no metabolismo de plantas, animais e
vários microorganismos, por ser relativamente rica em energia potencial
glicólise GLICOSEGLICOSE
PIRUVATOPIRUVATO
ENERGIA
RIBOSERIBOSE--55--PP
DNA, RNA, coenzimas
via das pentoses fosfato
POLISSACARÍDEOSPOLISSACARÍDEOS
GLICOGÊNIO, AMIDOGLICOGÊNIO, AMIDO
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- O armazenamento da glicose como polímero (amido e glicogênio) permite
a célula estocar grandes quantidades sem interferir na osmolaridade
- A oxidação completa da glicose a CO2 e H2O ocorre com um ΔG de -2840
kJ/mol
- Além de ser um excelente combustível, a glicose também e um precursor
versátil
- A oxidação da glicose pela via das pentoses-fosfato produz ribose-5-
fosfato para a síntese de ácidos nucleicos e NADPH
- Os organismos fotossintéticos sintetizam a glicose a partir de
precursores simples de 3 ou 4 C, pelo processo de gliconeogênese
GLICÓLISE
- Uma molécula de glicose e degradada em uma série de reações
catalisadas por enzimas, gerando duas moléculas de piruvato, na ausência
de O2
- Durante essas reações sequenciais, parte da energia livree conservada
na forma de ATP e NADH
- A quebra da glicose ocorre em 10 etapas, sendo que as 5 primeiras
constituem a fase preparatória ou primeira fase
- Glicólise: do grego glykys (doce) e lysis (quebra)
- A glicólise ocorre em 2 fases: na primeira há o consumo de energia e na
segunda há a produção de energia
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Primeira fase
ou
Fase preparatória
fosforilação
Mg2+
Mg2+
isomerização
fosforilação
Mg2+
clivagem
isomerização
Gasto energético
2 ATPs
Segunda fase
ou
fase de compensação
oxidação e fosforilação
formação de ATP
transferência do grupo P
Mg2+
Mg2+
desidratação
Mg2+
formação de ATP
K+ e Mg2+ 
ou Mn2+
Rendimento liquido de ATP: 4 ATPs, mas 2 foram consumidos na primeira fase, restando 2 ATPs
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Equação geral da glicólise
- O piruvato ainda contem a maior parte da energia existente na glicose, que
pode ser extraída por reações oxidativas durante o ciclo de Krebs e na
fosforilação oxidativa
REGULAÇÃO DA GLICÓLISE
- O fluxo da glicose na via 
glicolítica deve ser 
regulado para a 
manutenção de níveis 
constantes de ATP
- O ajuste se da pela 
interação entre o 
consumo de ATP, 
regeneração de NADH e a 
regulação alostérica de 
algumas enzimas 
(hexoquinase (1), PFK-1 
(2) e piruvato quinase (3)
(1)
(2)
(3)
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- A captação de glicose para a glicólise é regulada pelos hormônios
glucagon, adrenalina e insulina.
- Mediada pela família GLUT de transportadores (GLUT1 e 2 nos hepatócitos
e GLUT3 nos neurônios. GLUT4 no músculo esquelético, músculo cardíaco
e tecido adiposo, que se desloca para a membrana somente com o sinal da
insulina)
- Portanto, no músculo
esquelético, músculo
cardíaco e tecido adiposo, a
captação e o metabolismo da
glicose dependem da
liberação normal de insulina
pelas células beta
pancreáticas em resposta a
concentração de glicose
presente na corrente
sanguínea.
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- Na diabetes melito tipo 1 (ou insulino dependente), a falta de insulina
para a captação de glicose pela célula resulta em hiperglicemia. Incapazes
de captar a glicose, o músculo e o tecido adiposo utilizam os ácidos
graxos armazenados como triacilgliceróis como fonte de energia
- No fígado, a degradação dos ácidos graxos leva a formação dos corpos
cetônicos que são levados para outras partes do organismo. O acúmulo
desses corpos cetônicos leva a cetoacidose (elevação do pH sanguíneo),
que é uma condição letal.
- O metabolismo da glicose em mamíferos e limitado pela taxa de captação 
da glicose pelas células e sua fosforilação pela hexoquinase
Destinos do piruvato ou ácido pirúvico
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- Condições aeróbicas: piruvato é oxidado a acetato (acetil-CoA), que entra 
no ciclo de Krebs e é oxidado a CO2 e H2O
- Condições anaeróbicas: fermentação láctica e alcoólica
Fermentação
Fermentação láctica
- Quando os tecidos animais não são supridos com O2, para a oxidação
aeróbica do piruvato e do NADH, o NAD+ é regenerado pela redução do
piruvato a lactato
Fermentação alcoólica
- Leveduras e outros microorganismos fermentam a glicose em etanol e
CO2 em um processo de 2 etapas:
- TPP (tiamina-pirofosfato): coenzima derivada da vitamina B1 (beriberi)
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Vias alimentadoras da glicólise
- Alem da glicose, outros CHs são catabolizados na glicólise. Ex.
polissacarídeos (amido e glicogênio), dissacarídeos (maltose, lactose,
trealose e sacarose) e monossacarídeos (frutose, manose e galactose)
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GLICONEOGÊNESE
- Durante períodos de jejum 
mais longo ou após exercício 
físico vigoroso, há o 
esgotamento das reservas de 
glicogênio e a glicose necessita 
ser produzida
- A gliconeogênese converte o 
piruvato e compostos 
relacionados (3 - 4C) em 
glicose
- Em mamíferos, a 
gliconeogênese ocorre 
principalmente no fígado
- Em plantas, as gorduras e proteínas estocadas nas sementes são
convertidas em sacarose para o desenvolvimento da planta
- A glicose e seus derivados são precursores para a síntese da parede
celular, nts, coenzimas e outros metabolitos essenciais para as plantas
- A gliconeogênese e a glicólise não são vias idênticas ocorrendo em
direções opostas, embora compartilhem varias etapas (7 etapas)
- Em animais, as 2 vias ocorrem principalmente no citosol
- A glicose produzida pela gliconeogênese no fígado, nos rins ou ingerida 
via alimentação e transportada aos tecidos pela corrente sanguínea 
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- Equilíbrio de NADH no 
citosol
PEP: fosfoenolpiruvato
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- Balanço da gliconeogênese: 
consumo de 4 ATP, 2 GTP e 2 NADH
regulação
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Via das pentoses-fosfato ou via do fosfogliconato
- Não é uma via principal para a obtenção de energia a partir da oxidação
da glicose
- O principal destino metabólico da glicose-6-P é a degradação a piruvato
e oxidação no ciclo do ácido cítrico para a formação de ATP
- Na via das pentoses, a glicose-6-P leva a formação de produtos
necessários para o funcionamento da célula, como RNA, DNA, coenzimas
(ATP, NADH, FADH2 e CoA)
- A via das pentoses possui uma fase oxidativa e outra não oxidativa, mas
ambas ocorrem no citoplasma
- A fase não oxidativa recicla o 
produto da fase oxidativa em 
glicose-6-P
- A entrada da glicose-6-P na
glicólise ou na via das
pentoses-fosfato depende das
necessidades momentâneas
da célula e da concentração de
NADP+ no citosol
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Biossíntese do glicogênio (músculo e fígado)
- A glicose e transferida da UDP-glicose 
a extremidade não redutora do 
glicogênio
- A ramificação da cadeia e feita por uma 
enzima especifica
- A síntese de amido nos 
vegetais ocorre nos 
cloroplastos, em um processo 
semelhante ao do glicogênio, 
mas usando ADP-glicose como 
substrato