Introdução ao metabolismo

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Introdução ao metabolismo
Juliano Lemos Bicas
Universidade Estadual de Campinas
Faculdade de Engenharia de Alimentos
Departamento de Ciência de Alimentos
TA514 – Bioquímica de Alimentos
1
Sumário
 Introdução
 Conclusão
 Como a energia é gerada?
- O papel do ATP
 Vias metabólicas
- Aspectos gerais
- Regulação das vias metabólicas
Introdução ao Metabolismo
Cada reação é catalisada por uma enzima específica
O metabolismo
- Seres vivos  estado estacionário (≠ equilíbrio!);
- Necessidade constante de energia;
- Conjunto de reações químicas  manutenção das funções biológicas;
Energia
Homeostase
O que é metabolismo?
Um pouco sobre termodiâmica...
ΔG = variação da energia livre
ΔG° = variação da energia livre padrão, determinada em condições específicas: 25°C, 1atm, [reagentes] = 1M, pH = 0
ΔG°’, utilizada em bioquímica. Determinada em condições de:
25°C, 1atm, [reagentes] = 1M, pH = 7
ΔG = ΔG°’ + R.T.ln([C]ic.[D]id)/([A]ia.[B]ib)
aA + bB  cC + dD
O metabolismo
- ΔG varia com a [reagentes]: 
G = H - TS
No equilíbrio, deltaG’ = 0, portanto deltaG°’ = -2,3 RT log(K’eq)
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Reações reversíveis e irreversíveis
ΔGo’ < 0: reação espontânea, tende a ocorrer no sentido A  B
ΔGo’ > 0: reação não espontânea, tende a ocorrer no sentido B  A
ΔGo’ = 0: reação tende a permanecer em equilíbrio [B]/[A] = Keq
O metabolismo
Reações c/ ΔGo’ > 0 podem ser revertidas em dois casos:
A		B
- alteração nas [reagentes], de forma que ΔG’ < 0
- acoplamento com outra reação com ΔGo’ < 0 (vide adiante) 
“Nas transformações em que há liberação de energia, o sistema que sofreu a transformação tem, no estado final, um conteúdo energético menor que o estado inicial; estas transformações são ditas espontâneas. (...) O fato de uma reação ser espontânea não significa que ela ocorrerá imediatamente, tão logo se ponham em contato os reagentes; significa, tão-somente, que, se ocorrer, haverá liberação de energia. Em outras palavras, a espontaneidade da reação está completamente desvinculada de parâmetros cinéticos, como a velocidade” (Marzocco, p. 49)
Delta G muito negativo não significa alta tendência a ocorrer. Quer dizer apenas que se ocorrer, ela liberará grande quantidade de energia. (Marzocco, p. 54)
DeltaG is a measure of the distance of a system from its equilibrium position. When a reaction has reached equilibrium, no driving force remains and it can do no work:
DeltaG = 0. (Lehninger 5ª ed. P. 24)
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Sumário
 Introdução
 Conclusão
 Como a energia é gerada?
- O papel do ATP
 Vias metabólicas
- Aspectos gerais
- Regulação das vias metabólicas
Vias metabólicas
Vias metabólicas
- Série de reações consecutivas que produzem produtos específicos;
- Metabólitos: reagentes, intermediários ou produtos dessas vias;
- Muitas vias se inter-relacionam (intermediários comuns);
- Duas categorias:
Catabolismo  degradação, produção de energia;
Anabolismo  biossíntese, consumo de energia;
Principais fontes de energia = ATP e NADPH
Vias metabólicas
Características gerais das vias metabólicas:
1. São irreversíveis, porém pode haver contornos
2. Vias catabólicas são diferentes das anabólicas
3. Todas são reguladas
4. Em eucariotos: ocorrem em localizações celulares específicas
Rotas de síntese e degradação diferem em pelo menos 1 reação
Ambas termodinamicamente favoráveis mesmas condições
Permite que sejam independentemente controladas
A
B
C
D
S
P
E
F
Sumário
 Introdução
 Conclusão
 Como a energia é gerada?
- O papel do ATP
 Vias metabólicas
- Aspectos gerais
- Regulação das vias metabólicas
Regulação (recíproca) das vias de síntese e degradação 
Manutenção da homeostase (equilíbrio dinâmico), frente a variações no fluxo (resposta à demanda);
Evitar ciclo “fútil”;
Ocorre em pontos onde as reações podem ser independentemente controladas
(reações irreversíveis)
Onde, como, por que?
Regulação das vias metabólicas
A
B
6CO2 + 18ATP + 12NADPH + 12H+ + 12H2O  glicose + 18ADP + 18Pi + 12NADP+
6 CO2 + 6 H2O
6 Ru1,5P
6 Ru5P
12 3-fosfoglicerato
12 1,3-BFG
3 G3P
3 DHKP
3 F1,6P
2 F6P
+ 1 F6P
1 G6P
2 Xu5P
2 E4P
2 S1,7P
2 S7P
2 Xu5P
2 R5P
3 G3P
2 G3P
2 G3P
3H2O
3Pi
2 DHKP
2 G3P
2H2O
2Pi
12ADP
12ATP
12NADPH
12NADP+ + 12Pi
6ATP
6ADP
1
3
4
2
5
6
7
8
9
5
10
11
12
13
Exemplo: Ciclo de Calvin (fotossíntese)
Regulação das vias metabólicas
Etapa
Enzima
ΔG°’ (KJ/mol)
ΔG (KJ/mol)
1
Fosforribulocinase
–21,8
–15,9
2
Ribulosebisfosfatocarboxilase
–35,1
–41,0
3 +
4
Fosfogliceratocinase+
Gliceraldeído-3-fosfatodesidrogenase
+18,0
–6,7
5
Triose fosfatoisomerase
–7,5
–0,8
6
Aldolase
–21,8
–1,7
7
Frutosebifosfatase
–14,2
–27,2
8
Transcetolase
+6,3
–3,8
9
Aldolase
–23,4
–0,8
10
Sedoeptulosebifosfatase
–14,2
–29,7
11
Transcetolase
+0,4
–5,9
12
Fosfopentoseepimerase
+0,8
–0,4
13
Ribose fosfatoisomerase
+2,1
–0,4
Mudanças nas Energias Livres Padrão (ΔG°’) e Fisiológica (ΔG) para as reações do ciclo de Calvin
Regulação das vias metabólicas
Voet & Voet, p. 901
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Estratégias de regulação metabólica
1. Interações alostéricas
Interações não-covalentes
Detecção rápida de sinais
Ajuste da atividade c/ sinais
Ex.: Fosfofrutoquinase,
Acetil-CoA carboxilase
Regulação das vias metabólicas
1. Interações alostéricas
2. Modificação covalente
Ex.: fosforilação enzimática
Com frequência em resposta a hormônios
Cascatas de amplificação
Mais duradouras (s a min) que interações alostéricas (ms a s)
Ex.: glicogênio sintase
Estratégias de regulação metabólica
Regulação das vias metabólicas
Principais hormônios com efeito nas vias de produção de energia
Produzida no pâncreas em resposta ↑[glicose] (sinaliza estado alimentado)
↑[glicose] =
Produzida no pâncreas em resposta ↓[glicose]
(Parênteses)
Insulina
Glucagon
Adrenalina
Desfosforilação enzimática
Fosforilação enzimática
↑insulina
↓glucagon
↓[glicose] =
↓insulina
↑glucagon
Envolvido em
Envolvido em
Produzida na medula adrenal em resposta a situações que requerem elevada atividade (fuga, luta etc)
Regulação das vias metabólicas
1. Interações alostéricas
2. Modificação covalente
3. Ajustes nos níveis enzimáticos
Altera velocidade de síntese e degradação de enzimas
Longo prazo (h ou dias)
Basicamente altera frequência de transcrição do gene
Depende da [S] ou da presença de hormônios
Estratégias de regulação metabólica
Regulação das vias metabólicas
Ex.: colesterol = Inibe síntese e tradução do RNAm para HMG-CoA redutase; Aumentam velocidade de degradação da HMG-CoA redutase; Inibe síntese de receptores de LDL (< incorporação e > [ ] plasmática).
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1. Interações alostéricas
2. Modificação covalente
3. Ajustes nos níveis enzimáticos
4. Compartimentação
Células eucarióticas
Citoplasma:
Via glicolítica
Via pentoses-fosfato
Síntese AG
Memb. mitocondrial interna:
Fosforilação oxidativa
Matriz mitocondrial:
β-oxidação
Ciclo de Krebs
Cetogênese
Gliconeogênese
Ciclo da ureia
Estratégias de regulação metabólica
Regulação das vias metabólicas
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1. Interações alostéricas
2. Modificação covalente
3. Ajustes nos níveis enzimáticos
4. Compartimentação
5. Especialização metabólica dos órgãos
Órgãos com diferentes papeis metabólicos
Resultado da expressão gênica diferenciada
Estratégias de regulação metabólica
Regulação das vias metabólicas
Sumário
 Introdução
 Conclusão
 Como a energia é gerada?
- O papel do ATP
 Vias metabólicas
- Aspectos gerais
- Regulação das vias metabólicas
De onde vem a energia?
- Quimiotróficos: energia proveniente da oxidação de compostos;
- Fototróficos: energia proveniente da luz;
Quimiolitotróficos: oxidação de compostos inorgânicos
Quimiorganotróficos: oxidação de compostos orgânicos
Carboidratos
Lipídeos
Proteínas
CO2
H+ + e–
Coenzimas
(oxidadas)
Coenzimas
(reduzidas)
O2 + ADP + Pi
+ H2O
ATP
Fontes de acoplamento de energia
Sumário
 Introdução
 Conclusão
 Como a energia é gerada?
- O papel do ATPVias metabólicas
- Aspectos gerais
- Regulação das vias metabólicas
O papel do ATP
- Para que a energia derivada da oxidação dos compostos orgânicos possa ser aproveitada pelas células, ela deve estar sob a forma de ATP.
- Portanto, ATP = moeda energética das células (transmissor de energia livre e não um reservatório!).
- Energia química armazenada no ATP:
 processos químicos (ex: biossíntese);
 processos mecânicos (ex: contração muscular);
 processos elétricos (ex: condução estímulo nervoso);
 processos osmóticos (ex: transporte ativo através de membrana);
 processos luminosos (ex: bioluminescência);
Visão geral
Adenosina
Fosfato
Fosfato
Fosfato
Ribose
Adenina
O papel do ATP
- ATP
AR-P~P~P (ATP)
Ligação de alta energia (ΔGo’ < –25 KJ/mol) 
25
O papel do ATP
- ATP, ADP, AMP
ATP
ADP
AMP
PPi
Pi
Pi
Pi
Pi
+
H2O
H2O
H2O
H2O
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O papel do ATP
- ATP, ADP, AMP
Reação
ΔGo’(KJ/mol)
Fosfoenolpiruvato
–61,9
1,3-bisfosfoglicerato ( 3-fosfoglicerato)
–49,3
Fosfocreatina
–43,0
ADP ( AMP +Pi)
–32,8
ATP ( ADP +Pi)
–30,5
ATP ( AMP +PPi)
–45,6
AMP ( adenosina +Pi)
–14,2
PPi( 2Pi)
–19,2
Glicose-1-fosfato
–20,9
Frutose-6-fosfato
–15,9
Glicose-6-fosfato
–13,8
Glicerol-1-fosfato
–9,2
Energia livre padrão de hidrólise de alguns compostos fosforilados
Lehninger 5ª ed. p. 505
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O papel do ATP
Fluxo de grupos fosforila
ATP atua como “condutor” de energia entre doadores de fosfato com “alta energia” e aceptores de fosfato de “baixa energia”
(Voet & Voet, p. 568-9)
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O papel do ATP
- Exemplo de como o ATP atua como “doador” de energia
Glicose + Pi  Glicose-6-P + H2O		ΔG°’ = +14 KJ/mol
ATP + H2O  ADP + Pi				ΔG°’ = -31 KJ/mol
Glicose + AR-P~P~P  Glicose-6-P + ADP	ΔG°’ = -17 KJ/mol
X + Y  XY					ΔG°’ > 0
X + AR-P~P~P  X-P + ADP			ΔG°’ < 0
X + Y + ATP  XY + ADP + Pi			ΔG°’ < 0
X-P + Y  XY + Pi				ΔG°’ < 0
Reversão de reações c/ ΔGo’ > 0
O papel do ATP
Formação do ATP
- Fosforilação em nível de substrato
- Fosforilação oxidativa
Transferência direta de grupo fosfato (composto “alta energia”  ADP);
Comumente nos estágios iniciais do metabolismo de carboidratos.
Resultado de um gradiente de [H+] por uma membrana (cadeia transportadora de elétrons/fotossíntese); 
Maior parte do ATP produzido em organismos que respiram e fotossintéticos.
Fosfoenolpiruvato + H2O  Piruvato + Pi	ΔG°’ = -62 KJ/mol
ADP + Pi  ATP + H2O 				ΔG°’ = +31 KJ/mol
Fosfoenolpiruvato + ADP  Piruvato + ATP	ΔG°’ = -31 KJ/mol
O que vem por aí...
Corpos cetônicos
Ácidos graxos
NADH
FADH2
ATP
síntese / oxidação ácidos graxos
Glicogênio
Triacilgliceróis 
Fosforilação oxidativa
ATP
Proteínas
Aminoacidos glicogênicos
Aminoacidos cetogênicos
Acetil-CoA
NADH
FADH2
C.K.
Glicose-6-fosfato
Piruvato
Glicose
fosfoenolpiruvato
ATP
Lactato
Nucleotídeos
Via das Pentoses-fosfato
NADPH
Ribose-5P
oxalacetato
ATP
glicólise / gliconeogênese
Sumário
 Introdução
 Conclusão
 Como a energia é gerada?
- O papel do ATP
 Vias metabólicas
- Aspectos gerais
- Regulação das vias metabólicas
Próxima aula: Via glicolítica e gliconeogênese
Conclusão
Metabolismo:
- Série de reações bioquímicas
- Dinâmico, complexo, com diversas vias inter-relacionadas
- Catabolismo + anabolismo
ATP:
- Papel central na bioenergética
Regulação das vias:
- Necessário para manter homeostase
- Reações irreversíveis: candidatas a pontos de regulação
- Interações alostéricas, modificação covalente (sensibilidade e hormônios) entre outros
Explique o que é AMPc (AMP ciclo).
Explique o que são proteína cinases e qual sua importância para o metabolismo. Como AMPc e Ca2+ podem mediar a regulação dessas enzimas.
Descreva a cascata enzimática de regulação do metabolismo de glicogênio.
Explique o que são zimogênios, comente sobre sua importância e cite exemplos.
Questões complementares
Berg, J.M.; Tymoczko, J.L.; Stryer, L. Bioquímica. 6a. Ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2008.
Nelson, DL; Cox, MM. Lehninger - Princípios de bioquímica. Traduzido por Simões, A. A.; Lodi, W. R. N. 3ª ed. São Paulo: Sarvier, 2002.
Marzzoco, A; Torres, BB. Bioquímica básica. 3a. Ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2007.
Voet, D; Voet, JG. Bioquímica. 3a. Ed. Porto Alegre: Artmed, 2006.
Bibliografia