Introdução ao Metabolismo e Bioenergética

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BIOQUÍMICA
INTRODUÇÃO AO METABOLISMO
AULA 1
Prof. Greice Montagner
INTRODUÇÃO AO METABOLISMO
“O metabolismo é uma atividade celular altamente coordenada na
qual muitos sistemas enzimáticos (vias metabólicas) que atuam de
forma cooperativa para:
(1) obter energia química, seja por captação de energia solar, seja por
degradação de nutrientes ricos em energia, obtidos do meio ambiente;
(2) converter as moléculas dos nutrientes em moléculas com
características próprias de cada célula, incluindo-se os precursores de
macromoléculas;
(3) polimerizar precursores monoméricos em macromoléculas tais
como proteínas, ácidos nucléicos e polissacarídeos;
(4) sintetizar e degradar biomoléculas necessárias a funções celulares
especializadas, tais como lipídeos de membranas, mensageiros
intracelulares e pigmentos.” 2
INTRODUÇÃO AO METABOLISMO
 Organismos estão longe do equilíbrio termodinâmico
 Contínuo suprimento de energia e de compostos químicos
 Tipos de organismos vivos
 AUTOTRÓFICOS: bactérias fotossintéticas, algas verdes, plantas
vasculares  usam o CO2 da atmosfera como única fonte de
carbono a partir do qual formam todas as suas biomoléculas
 HETEROTRÓFICOS: animais multicelulares, microrganismos não
conseguem usar o CO2 atmosférico e devem obter carbono a
partir de moléculas orgânicas 3
INTRODUÇÃO AO METABOLISMO
 Autotróficos obtém energia da luz solar fotossintéticos
 Heterotróficos  obtém energia da degradação de compostos
orgânicos
Ciclo do carbono e do oxigênio
Ciclo do nitrogênio
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A reciclagem de C, O e N
depende do equilíbrio adequado
entre as atividades dos
produtores (autotróficos) e dos
consumidores (heterotóficos) em
nossa biosfera.
INTRODUÇÃO AO METABOLISMO
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INTRODUÇÃO AO METABOLISMO
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METABOLISMO
 Soma de todas as transformações químicas que ocorrem em uma
célula
 Transformações que estruturam e dão energia ao organismo vivo
 Ocorrem por uma série de reações catalisadas enzimaticamente, as
quais constituem as vias metabólicas
 O precursor é convertido em produto por meio de uma sério de
intermediários denominados metabólitos
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METABOLISMO
 Catabolismo
 Metabolismo de quebra
 Nutrientes orgânicos sofrem degradação, sendo convertidos em
produtos menores e mais simples
 Vias de produção de energia
 Libera energia, unindo o ADP ao Pi para formar ATP
 Anabolismo ou biossíntese
 Vias que usam energia para a síntese de compostos
 Moléculas precursoras pequenas são unidas para formar moléculas
maiores
 Usa energia do ATP, o qual se tranforma em ADP e Pi
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RELAÇÃO
ENERGÉTICA
ENTRE AS VIAS
ANABÓLICAS E
CATABÓLICAS
PRINCÍPIOS DE BIOENERGÉTICA
 A transformação da energia biológica obedece as leis da
Termodinâmica
Quais são as leis da termodinâmica?
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PRINCÍPIOS DE BIOENERGÉTICA
 Primeira lei da termodinâmica: Princípio da conservação da Energia
“Para qualquer mudança física ou química, a quantidade total de energia 
no universo permanece constante” 
“A energia pode mudar de forma ou ser transportada mas não pode ser 
criada ou destruída”
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PRINCÍPIOS DE BIOENERGÉTICA
 Primeira lei da termodinâmica: Princípio da conservação da Energia
 Seres vivos usam energia para realização de trabalho mecânico,
químico, osmótico ou elétrico e para a manutenção de sua
organização, reprodução e interação com o meio
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PRINCÍPIOS DE BIOENERGÉTICA
 Segunda Lei: A desordem do universo sempre tende a aumentar
“Em todos os processos naturais a entropia (grau de desorganização) do 
universo sempre tende a aumentar”
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PRINCÍPIOS DE BIOENERGÉTICA
 Segunda Lei: A desordem do universo sempre tende a aumentar
 Organismos vivos preservam sua organização interna retirando
energia livre do ambiente e retornando à sua vizinhança energia
na forma calor, aumento do número de moléculas
 A desorganização ou entropia do universo aumenta
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PRINCÍPIOS DE BIOENERGÉTICA
 As células necessitam de fontes de energia livre
 Células  sistemas isotérmicos  funcionam em temperatura
constante (pressão constante também)  fluxo de calor não é
fonte de energia para as células
Como ocorre o fluxo de energia entre o ambiente e os 
organismos vivos? 
Através de um conjunto de reações químicas produtoras ou
consumidoras de energia os organismos conseguem ter suas
características ou funções preservada 15
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Reação espontânea Reação não espontânea
PRINCÍPIOS DE BIOENERGÉTICA
 Reações químicas especiais responsáveis pelo fluxo de energia nos
organismos vivos
 Transferência de grupos fosforil - ATP
 Transferência de elétrons – reações de óxido-redução
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PRINCÍPIOS DE BIOENERGÉTICA
 Transferência de grupos fosforil - ATP
 ATP como moeda energética
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PRINCÍPIOS DE BIOENERGÉTICA
 Transferência de elétrons – reações de óxido-redução
 O fluxo de elétrons pode realizar trabalho
 Reações envolvem a perda de elétrons por uma determinada
espécie química, que sofre oxidação, e captação desses elétrons
por outra espécie, que é reduzida
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PRINCÍPIOS DE BIOENERGÉTICA
NAD+ FAD
INTRODUÇÃO AO METABOLISMO DOS CARBOIDRATOS
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DIGESTÃO DOS CARBOIDRATOS
 Hidrólise das ligações glicosídicas
 Objetivo: transformá-los em monossacarídeos
 É encerrado quando todas as ligações glicosídicas dos carboidratos
ingeridos foram hidrolisadas
 Monossacarídeos: corrente sanguínea
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DIGESTÃO DOS CARBOIDRATOS
 Composição do amido 
 Amilose
 Amilopectina
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Cadeia reta, não ramificada, de 250 a 300 resíduos de D-glicopiranose, ligadas por
pontes glicosídicas α-1,4.
Menos hidrossolúvel que a amilose, constituída de aproximadamente 1400 
resíduos de α-glicose ligadas por pontes glicosídicas α-1,4, e ligações α-1,6. 
DIGESTÃO DOS CARBOIDRATOS
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DIGESTÃO DOS CARBOIDRATOS
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DIGESTÃO DOS CARBOIDRATOS
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Intestino
Alimento Pâncreas -amilase 
amilase pancreática
-amilase X -amilase pancreática 
- Sequência de aa diferentes 
- Propriedades catalíticas idênticas
- Atuam em pH neutro ou alcalino 
continua a digestão do 
amido e do glicogênio
DIGESTÃO DOS CARBOIDRATOS
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Enzimas da borda em escova
Isomaltase intestinal
Dissacaridases
Maltose  maltase  glicose + glicose
Sacarose  sacarase  glicose + frutose
Lactose  lactase  glicose + galactose 
-1,6 glicosidase
Glicoamilase 
isomaltase
DIGESTÃO DOS CARBOIDRATOS
 BOCA: α-amilase salivar
 ESTÔMAGO: pH inativa α-amilase 
salivar
 PÂNCREAS: secreta α-amilase 
pancreática
 INTESTINO: enzimas da borda em 
escova (isomaltases intestinais e 
dissacaridases) 27
ENTRADA DA GLICOSE PARA DENTRO DA CÉLULA
 Proteína GLUT
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PRINCIPAIS VIAS DE UTILIZAÇÃO DE GLICOSE
GLICÓLISE: VISÃO GERAL
 Via catabólica Central: Oxidação da molécula da glicose a piruvato
(2 moléculas)
 Produz energia (ATP e NADH) e também diversos intermediários
metabólicos
 Todas as reações são catalisadas por enzimas específicas
 Ocorre no citoplasma das células
 2 fases, 10 etapas
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GLICÓLISE
 É a via na qual, na maioria das células, ocorre o maior fluxo de
carbono.
 Em certos tipos de tecidos e tipos celulares de mamíferos (eritrócitos,
medula renal, cérebro e esperma, por exemplo), a glicólise é a
principal ou única fonte de energia metabólica.
 Alguns tecidos vegetais modificados para o armazenamento de amido,
como os tubérculos da batata e alguns vegetais adaptados para
crescerem em áreas regularmente inundadas pelaágua (agrião, por
exemplo), derivam a maior parte de sua energia da glicólise.
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GLICÓLISE
 Intermediários Fosforilados:
 São impedidos de sair da célula (P)
 Conservação da energia
 Podem se ligar ao sítio ativo das enzimas já que formam
complexo com o Mg2+
 Podem auxiliar na redução da energia de ativação enzimática
 Energia remanescente no Piruvato:
 Diversos destinos (aeróbico e anaeróbico)
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GLICÓLISE
 Fase Preparatória:
 2 fosforilações
 Quebra de 1 hexose em 2 trioses
 ATP é investido para formar compostos com maior energia
livre de hidrólise
 Fase do Pagamento:
 Armazenamento da energia livre na forma de ATP
 Eficiência na recuperação da energia investida
 Produção de NADH 34
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1ª ETAPA: FOSFORILAÇÃO DA GLICOSE
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HEXOQUINASE: inibida por glicose 6-fosfato [ ] ↑
• A glicose é fosforilada por ATP para formar um açúcar fosfato.
• A carga negativa do fosfato previne a passagem do açúcar através da
membrana plasmática, prendendo a glicose dentro da célula.
2ª ETAPA: CONVERSÃO DA GLICOSE-6-FOSFATO
EM FRUTOSE-6-FOSFATO
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• Um rearranjo prontamente da estrutura química (isomerização)
desloca o oxigênio carbonílico do C1 para o C2, formando cetose a
partir de uma aldose.
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2ª ETAPA: CONVERSÃO DA GLICOSE-6-FOSFATO
EM FRUTOSE-6-FOSFATO
3ª ETAPA: FOSFORILAÇÃO DA FRUTOSE 6-
FOSFATO EM FRUTOSE 1,6-BIFOSFATO
39FOSFOFRUTOQUINASE-1: Inibida por [ ] ↑ de ATP, citrato
Ativada por [ ] ↑ de AMP, ADP, frutose 2,6-biP
4ª ETAPA: CLIVAGEM DA FRUTOSE 1,6-BIFOSFATO
40• O açúcar de 6C é clivado para produzir duas moléculas de 3C. 
Apenas o gliceraldeído 3-fosfato pode prosseguir imediatamente 
através da glicólise.
5ª ETAPA: INTERCONVERSÃO DAS TRIOSES
FOSFATO
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• Última reação da fase preparatória
• O outro produto da etapa 4, diidroxicetona fosfato é isomerizado para
formar gliceraldeído 3-fosfato.
6ª ETAPA: OXIDAÇÃO DO GLICERALDEÍDO 3-
FOSFATO EM 1,3-BISFOSFOGLICERATO
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• 1ª Reação conservadora de energia
• As duas moléculas de gliceraldeído 3-fosfato são oxidadas. A fase
geradora de energia da glicólise se incia, assim que o NADH e uma nova
ligação anidrido se alta energia ao fosfato são formadas.
7ª ETAPA: 
TRANSFERÊNCIA DO
FOSFATO DO 1,3-
BIFOSFOGLICERATO
PARA O ADP
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• A transferência à ADP do
grupamento fosfato de alta
energia que foi gerado na etapa
anterior forma ATP.
8ª ETAPA: CONVERSÃO DO 3-FOSFOGLICERATO
EM 2-FOSFOGLICERATO
44• A ligação éster fosfato remanescente no 3-fosfoglicerato, a qual possui uma
energia livre de hidrólise relativamente baixa é deslocada do C3 para o C2 para
formar 2-fosfoglicerato.
9ª ETAPA: DESIDRATAÇÃO DO 2-FOSFOGLICERATO
EM FOSFOENOLPIRUVATO
45• A remoção da água do 2-fosfoglicerato cria uma ligação enol fosfato de alta
energia.
10ª ETAPA: 
TRANSFERÊNCIA DO
GRUPO FOSFORIL DO
FOSFOENOLPIRUVATO
PARA ADP
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PIRUVATO QUINASE: Inibida por [ ] ↑ 
de ATP, acetil-CoA, ácidos graxos de 
cadeia longa
• 2ª Reação conservadora de energia
• A transferência ao ADP do grupamento fosfato que foi
gerado na etapa anterior forma ATP completando a
glicólise.
BALANÇO ENERGÉTICO DA GLICÓLISE
ENZIMA ATP NADH ATP Total
TOTAL ATPs
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OUTROS MONOSSACARÍDEOS
ENTRAM NA VIA GLICOLÍTICA
EM DIVERSOS PONTOS
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CONVERSÃO DA GALACTOSE
EM GLICOSE-1-FOSFATO
REAÇÕES ANAERÓBICAS DO PIRUVATO:
FERMENTAÇÕES
 Em condições de hipóxia (assim como no músculo esquelético
muito ativo, nos tecidos vegetais submersos, tumores sólidos,
bactérias lácticas) o NADH gerado pela glicólise não pode ser
reoxidado pelo O2.
 A falha na regeneração de NAD+ deixaria a célula carente de
aceptor de elétrons para a oxidação de gliceraldeído-3P, e as
reações geradoras de energia da glicólise cessariam.
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FERMENTAÇÃO LÁCTICA
 Conversão do piruvato a lactato no músculo (Fermentação
láctica)
 Cada molécula de glicose que entra na via produz 2 moléculas de
piruvato e consequentemente duas moléculas de lactato
 Lactato pode ser reciclado para formar piruvato e glicose pela
gliconeogênese
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 Conversão do piruvato a lactato no músculo
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FERMENTAÇÃO LÁCTICA
BALANÇO ENERGÉTICO DA FERMENTAÇÃO LÁCTICA A PARTIR DE
UMA MOLÉCULA DE GLICOSE
ENZIMA ATP NADH ATP Total
TOTAL 2 ATPs
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FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA
Produção de etanol 2 etapas
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REAÇÕES ANAERÓBICAS
DO PIRUVATO
 TPP  derivado da vitamina B1
 Deficiência de B1  Berbéri
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BALANÇO ENERGÉTICO DA FERMENTAÇÃO ALCÓOLICA A PARTIR DE
UMA MOLÉCULA DE GLICOSE
ENZIMA ATP NADH ATP Total
TOTAL 2 ATPs
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
 O conteúdo desta aula foi baseado nas seguintes referências:
- NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de bioquímica de Lehninger. 6ª ed.
Porto Alegre: Artmed, 2014. (Capítulo 13 e 14)
- CAMPBELL, M.K.; FARREL, S.O. Bioquímica. 2ª ed. São Paulo: Cengage
Learning. (Capítulo 15 e 17)
- RODWELL, V.W.; et al. Bioquímica ilustrada de Harper. 5ª ed. Porto
Alegre: Artmed, 2017. (Capítulo 11 e 17)
- MOTTA, V.T. Bioquímica. Caxias do Sul: Educs, 2005. (Capítulo 7 e 9)
- MARZZOCO, A.; TORRES, B.B. Bioquímica básica. 4ª ed. Rio de Janeiro:
Guanabara Koogan, 2017. (Capítulo 8 e 9)
- VOET, D.; et al. Fundamentos de bioquímica. 4ª ed. Porto alegre:
Artmed, 2014. (Capítulo 14 e 15)
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