METABOLISMO ENERGETICO

Prévia do material em texto

Escola de Ciências da Saúde
METABOLISMO E BIOENERGÉTICA
1. Introdução ao metabolismo
2. Princípios de bioenergética
3. Processos gerais de aquisição de energia:
ANAEROBIOSE
a. Glicólise
b. Fermentação lática e alcóolica
c. Ciclo do Ácido Cítrico (Ciclo de Krebs)
AEROBIOSE
d. Fosforilação oxidativa
CONTEÚDO
METABOLISMO
É uma rede altamente integrada e coordenada de reações químicas catalisadas por enzimas
Mapas das principais rotas metabólicas em uma célula típica
METABOLISMO
FUNÇÕES
a. Obtenção de energia química
b. Conversão dos nutrientes em moléculas menos complexas
c. Polimerização de precursores monoméricos em macromoléculas
Manutenção da homeostase
do organismo
Pontos
Moléculas
Linhas
Reações
catalisadas
Grande número de moléculas 
envolvidas
Número reduzido de tipos de 
reações
(oxidação, redução, 
hidratação, fosforilação, etc.)
EXEMPLO DE VIA METABÓLICA
SUBSTRATO ORIGINAL
SUBSTRATO MODIFICADO
Alteração químicaE1
Geralmente ocorre a remoção, transferência ou adição de um átomo ou grupo funcional
PRODUTO FINAL
E4 Alteração química
SUBSTRATO MODIFICADO
SUBSTRATO MODIFICADO
E2
E3
Alteração química
Alteração química
TIPOS DE VIAS METABÓLICAS
LINEAR CÍCLICA RAMIFICADA
DIVERGENTE CONVERGENTE
SISTEMA MULTIENZIMÁTICO
CICLO DE
KREBS
Exemplo:
Glicólise
S
T
Exemplo:
Síntese de
aminoácidos
Exemplo:
Degradação
de lipídeos
Diversas fontes de obtenção de energia
Anabolismo versus Catabolismo
As reações metabólicas podem ser caracterizadas como anabólicas (reação de síntese) ou 
catabólicas (reação de degradação) 
Macromoléculas
Proteínas
Polissacarídeos
Lipídeos
Ácidos nucléicos
Moléculas
precursoras
Aminoácidos
Monossacarídeos
Ácidos graxos
Nucleotídeos
Anabolismo
Nutrientes 
ricos em energia
Glicídios
Lipídios
Proteínas
Produtos
finais pobres
em energia
CO2 , H2O, NH3
Catabolismo
ADP ATP
REGULAÇÃO DAS VIAS METABÓLICAS
A maioria das células possui as enzimas necessárias tanto para degradar quanto para 
sintetizar categorias importantes de biomoléculas:
MOLÉCULA
+ ENERGÉTICA
MOLÉCULA
- ENERGÉTICA
CATABOLISMO
ANABOLISMO
REGULAÇÃO ENZIMÁTICA
(três processos principais)
1 – Quantidade de enzimas (expressão gênica)
2 – Suas atividades catalíticas (inibição)
3 – Disponibilidade do substrato (compartimentalização)
BIOENERGÉTICA
Estuda os fenômenos energéticos nos seres vivos (sua forma de obtenção, 
armazenamento e utilização)
TRABALHO
BIOLÓGICO
energia
“Transdução de energia”
Compostos contendo energia (açúcares, lipídeos, proteínas)
Elétrons
O2 H2O ATP
DOGMA CENTRAL DA BIOENERGÉTICA
Sistema de transporte de elétrons
Carreadores 
de elétrons
T
R
A
N
S
F
O
R
M
A
Ç
Õ
E
S
Q
U
Í
M
I
C
A
S
Liberação de energia gradualmente
As transformações químicas obedecem às leis da termodinâmica
TERMODINÂMICA
estuda as diferentes formas de 
energia e sua transformação
Princípio da conservação de energia:
I – A energia total do universo é constante, portanto, ela só pode ser transformada
de uma forma para outra, não pode ser nem criada nem destruída
Princípio da desordem:
II – A entropia (desordem) no universo está sempre aumentando
Desordem acontece “espontaneamente”
Organização requer gasto de energia
ENERGIA LIVRE DE GIBBS (Termodinâmica)
Os organismos vivos preservam a ordem interna pela captação de energia livre do ambiente 
nas formas de nutrientes ou luz solar
Josiah Gibbs (EUA – XIX)
ELG= quantidade de energia livre capaz de realizar trabalho
GLICOSE PIRUVATO
GLICÓLISE
GLICONEOGÊNESE
+ energia - energia
G positivo= Reação endergônica, ganho de energia livre
G negativo= Reação exergônica, o sistema perde energia (que é liberada)
O produto contém mais energia do 
que o substrato
Energia 
tem de ser 
fornecida.
Energia é 
liberada.
Endergônica Exergônica
E
n
e
rg
ia
 f
o
rn
e
c
id
a
E
n
e
rg
ia
 l
ib
e
ra
d
a
O produto contém menos energia do 
que substrato, sendo o excesso de 
energia liberado
ENERGIA LIVRE DE GIBBS (Termodinâmica)
SUBSTRATO SUBSTRATO
PRODUTO
PRODUTO
Glicose + Pi glicose 6-fosfato + H2O G= 13,8 KJ/mol
ATP + H2O ADP + Pi G = -30,5 KJ/mol
ENERGIA LIVRE DE GIBBS (Termodinâmica)
ENDERGÔNICA
EXERGÔNICA
Exoquinase
Hidrolase
ATP
(A moeda energética universal dos sistemas biológicos)
Ganho de muita energia pela fosforilação sequencial da Adenosina Trifosfato
Liberação de energia gradualmente
Hidrólise do ATP para ADP
ATP versus ADP
Oxidação
REAÇÕES DE OXIDAÇÃO E REDUÇÃO
O fluxo de elétrons nas reações REDOX é responsável por todo trabalho realizado pelos 
organismos vivos
Perda de elétron (oxidação)
Ganho de elétron (redução)
Baixa energia
Alta energia
Eletroneutralidade
RECEPTORES UNIVERSAIS DE ELÉTRONS
Transportadores de elétrons
• NAD+
• NADP+
• FAD+
• FMN
Receptores universais
de elétrons (oxidados)
Desidrogenases
(oxidorredutases)
• NADH
• NADPH
• FADH
• FMNH
Receptores universais
de elétrons (reduzidos)
Transferência de íons H e 
um par de eletrons
Nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+ / NADH)
(oxidado)
(reduzido)
Adenina
Lado A Lado B
NAD+ + 2é (2H+) ---> NADH + H+
NADP+ + 2é (2H+) ---> NADPH + H+
(oxidado)
Nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfatado (NADP+ / NADPH)
No NADP+ esse grupo hidroxila está
esterificado com fosfato
NADH desidrogenase
Flavina adenina dinucleotídeo (FAD+ / FADH / FADH2)
(totalmente reduzido)(parcialmente
reduzido)
FAD + 1 é (H+) ---> FADH + 1 é (H+) FADH2(oxidado)
Flavina mononucleotídeo (FMN+ / FMNH / FMNH2)
Os elétrons liberados nas reações de oxidação durante o catabolismo de nutrientes são 
direcionados para a síntese de ATP
3. Processos gerais de aquisição de energia:
ANAEROBIOSE
a. Glicólise
b. Fermentação lática e alcóolica
c. Ciclo do Ácido Cítrico (Ciclo de Krebs)
AEROBIOSE
d. Fosforilação oxidativa
Na respiração aeróbia, a energia da glicose é obtida através da sequência de três vias 
principais: glicólise, o ciclo de Krebs e a cadeia de transporte de elétrons. 
GLICÓLISE
GLICÓLISE
É a principal via de utilização da glicose, ocorrendo em todas as células (eucarióticas, 
procarióticas)
Ocorre no CITOPLASMA
Pode ocorrer em
ANAEROBIOSE
Há a formação de
ATP e NADH
Única fonte de energia
Cérebro (jejum)
Hemácias 
A glicólise pode ser dividida em duas fases:
1. FASE DE INVESTIMENTO
5 reações enzimáticas: fosforilação da glicose e posterior quebra em duas moléculas com 3 
átomos de carbono
2. FASE DE PAGAMENTO
A energia liberada pela transformação do gliceraldeído em piruvato é utilizada para formação
de ATP e NADH
2XCONSUMO 2
2X 2X
PRODUÇÃO 4
VISÃO GERAL DA FASE DE INVESTIMENTO
VISÃO GERAL DA FASE DE PAGAMENTO
6. Gliceraldído 3-f desidrogenase
7. Fosfoglicerato quinase
8. Fosfoglicerato mutase
9. Enolase (desidratação)
10. Piruvato quinase
BALANÇO GERAL DA GLICÓLISE
1. FASE DE INVESTIMENTO
2 FOSFORILAÇÕES
Quebra sequencial de uma hexose (glicose) em duas trioses (gliceraldeído 3-fosfato)
2 ATPs são investidos para formar compostos com maior energia livre
2. FASE DE PAGAMENTO
Armazenamento da energia livre na forma de ATP (4)
Redução de 2NAD+ em 2NADH
Apenas 5.2% da energia da glicose foram liberados (restante no piruvato)
EM DETALHE
GLICÓLISE
REAÇÃO 1: Fosforilação da Glicose
Aspectos relevantes:
i. Reação irreversívelii. 1° reação de investimento (gasto de 1 ATP)
iii. O fosfato desestabiliza a glicose que fica aprisionada na célula (não se difunde pela membrana)
REAÇÃO 2: Conversão da Glicose 6-fosfato em Frutose 6-fosfato
HEXOSE HEXOSEEPÍMEROS
(C6H12O6)
Reação preparatória para a 3 (PFK)
Reação reversível
(PFK-1)
REAÇÃO 3: Fosforilação da Frutose 6-fosfato em Frutose 1,6-bifosfato
Aspectos relevantes:
i. Reação irreversível
ii. 2a reação de investimento (gasto de 1 ATP)
iii. Principal ponto de regulação da glicólise
ATP; ADP; AMP --->  PFK-1
citrato; ATP --->  PFK-1
REGULAÇÃO DA VIA GLICOLÍTICA
PFK-1
REAÇÃO 3
Regulação alostérica
(inibição ou cooperação)
2 moléculas de 
gliceraldeido 3-fosfato 
seguem a via glicolítica.
REAÇÃO 4: Clivagem da Frutose 1,6-bifosfato
REAÇÃO 5: Interconversão das trioses (2x Gliceraldeído 3-fosfato)
X2
REAÇÃO 6: Oxidação de gliceraldeído 3-fosfato em 1,3 bifosfoglicerato
Aspectos relevantes:
i. Reação reversível
ii. Fosforilação do substrato com o auxílio da energia livre da reação REDOX associada (NAD+)
REAÇÃO 7: Transferência do fosfato (C1) do 1,3 bifosfoglicerato para o ADP
X2
Aspectos relevantes:
i. Reação exergônica reversível (energia livre é aprisionada na formação do ATP)
ii. Primeira reação de pagamento (2 ATP)
REAÇÃO 8: Conversão do 3-fosfoglicerato em 2-fosfoglicerato 
X2
Preparação
do substrato
REAÇÃO 9: Desidratação de 2-fosfoglicerato em fosfoenolpiruvato
X2
Desidratação
REAÇÃO 10: Transferência do fosfato do fosfoenolpiruvato para o ADP
X2
Aspectos relevantes:
i. Reação exergônica irreversível (energia livre é aprisionada na formação do ATP)
ii. Segunda reação de pagamento (2 ATP)
BALANÇO FINAL DA VIA GLICOLÍTICA
GLICOSE + 2 ATP  2 PIRUVATOS + 2 NADH + 4 ATP
2 PIRUVATOS + 2 NADH + 2 ATP
Fosforilação oxidativa
(respiração aeróbia)DESTINOS DO
PIRUVATO?
DESTINOS DO PIRUVATO
FERMENTAÇÃO
Oxidação incompleta da glicose
(2 ATP)
ANAEROBIOSE AEROBIOSE
RESPIRAÇÃO
oxidação completa da glicose 
(30 ou 32 ATP)
ǂ15X
ANAEROBIOSE
FERMENTAÇÃO LÁTICA
Realizada por bactérias do leite que é empregada na preparação de iogurtes e queijos
Também ocorre no músculo esquelético (esforço físico intenso – Ciclo de CORI - gliconeogênese)
Reação
reversível
A redução do piruvato a lactato tem como objetivo a regeneração do NAD+
(direcionado para a glicólise)
ANAEROBIOSE
FERMENTAÇÃO LÁTICA
Em leveduras, o piruvato formado é descarboxilado e o acetaldeído formado é reduzido a 
etanol
ANAEROBIOSE
FERMENTAÇÃO ALCÓOLICA
3. Processos gerais de aquisição de energia:
ANAEROBIOSE
a. Glicólise
b. Fermentação lática e alcóolica
c. Ciclo do Ácido Cítrico (Ciclo de Krebs)
AEROBIOSE
d. Fosforilação oxidativa
Processos oxidativos que envolvem o consumo de O2 , formação de CO2 e conservação de 
energia pelas células (OCORREM NA MITOCÔNDRIA)
DESTINOS DO PIRUVATO
FERMENTAÇÃO
Oxidação incompleta da glicose
(2 ATP)
ANAEROBIOSE AEROBIOSE
RESPIRAÇÃO
oxidação completa da glicose 
(30 ou 32 ATP)
ǂ15X
CICLO DE KREBS
Mitocôndrias
(local onde ocorre a respiração celular)
Ciclo de Krebs
Matriz
Fosforilação oxidativa
Membrana interna
(Cristas)
O ciclo de Krebs (ciclo do ácido cítrico ou ciclo do ácido tricarboxílico) é uma das fases da 
respiração celular descrita pelo bioquímico alemão Hans Krebs
CICLO DE KREBS
Prêmio Nobel, Fisiologia ou Medicina (1953)
CICLO DE KREBS
Principal ganho envolvido: redução de carreadores de elétrons que serão utilizados na 
cadeia respiratória
ANTES DO CICLO COMEÇAR
O piruvato (no citosol) é transformado em Acetil-CoA na matriz mitocondrial, 
descarboxilação
Complexo PIRUVATO DESIDROGENASE
Vit. B5
5 Coenzimas
3 Enzimas
piruvato desidrogenase, diidrolipoil
transacetilase e diidrolipoil desidrogenase
Tiamina pirofosfato
X2
ESTRUTURA DAS ENZIMAS COMPLEXAS
HOLOENZIMA
Precisam de compostos químicos chamados de COFATORES, íons metálicos, ou de 
um complexo orgânico chamado de COENZIMA
Coenzima
Apoenzima (parte protéica)
HOLOENZIMA
Sítio catalíticoCofator
Vitaminas do
complexo B
X2
CICLO DE KREBS
VISÃO GERAL
Ocorre em 8 passos, na matriz mitocondrial
Acetil-CoA + Oxaloacetato Citrato
O substrato sofre modificações - retorna Oxaloacetato
Liberação de 2 CO2
4 oxidações – a energia é conservada nos
carreadores reduzidos (3NADH e 1FADH2)
Precursores para biossíntese de outras 
moléculas
(energia para síntese 
de proteínas)
GDP mais disponível
2X
CICLO DE KREBS
VIA CENTRAL DO METABOLISMO INTERMEDIÁRIO
A importância do ciclo não é apenas oxidativa:
1. Os intermediários podem ser retirados do ciclo para serem empregados como precursores
em uma grande variedade de vias biossintéticas
2. Os produtos finais de muitos processos metabólicos podem entrar no ciclo (reações
anapleróticas ou de reposição)
CICLO DE KREBS
VIA CENTRAL DO METABOLISMO INTERMEDIÁRIO
O Ciclo de Krebs é uma fonte de precursores para a síntese de aminoácidos e ácidos graxos
SÍNTESE DE AMINOÁCIDOS
Visão geral da biossíntese de aminoácidos – Reciclagem dos esqueletos carbonados a partir 
de três fontes:
GLICÓLISE
CICLO DE KREBS
VIA DAS PENTOSES
Via alternativa de oxidação da glicose
CICLO DE KREBS
VIA CENTRAL DO METABOLISMO INTERMEDIÁRIO
As reações anapleróticas repõem intermediários do Ciclo do Krebs
Quanto mais avançado na via,
menor será o ganho energético
NADH
NADH
FADH2
NADH
DESTINO DOS TRANSPORTADORES DO CICLO DE KREBS
O oxigênio é o aceptor final de elétrons
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
(CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS)
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
Estágio final do metabolismo produtor de energia nos organismos aeróbios
(complexos enzimáticos na membrana mitocondrial interna)
Etapas oxidativas na degradação dos 
carboidratos, gorduras e aminoácidos 
Cadeia Fosforilativa
(responsável pela síntese de ATP)
NADH
FADH2
Complexo enzimático/proteína Massa 
(kDa)
No de 
subunidades
Grupos
prostéticos
(I) NADH desidrogenase 850 43 Fe-S
(II) Succinato desidrogenase 140 4 Fe-S
(III) Complexo de Cit. bc1 250 11 Heme, Fe-S
Citocromo c 13 1 Heme
(IV) Citocromo C oxidase 160 13 Heme, Cu
Complexos protéicos da cadeia de transferência de elétrons
Transportadoras
Ubiquinona(Q)
(oxidada)
Radical semiquinona
Ubiquinol (QH2)
(totalmente reduzido)
Outros agentes envolvidos no transporte de elétrons
Ubiquinona/Coenzima Q
NADH
NAD+
4H+
½ O2 H2O
4H+ 2H
+
Cadeia de transporte de elétrons
NADH desidrogenase
Succinato
desidrogenase
Ubiquinona
Cit. bc1 Citocromo oxidase
Succinato Fumarato
NADH
NAD+
4H+ 4H+
½ O2 H2O
2H+
NADH
NAD+
4H+ 4H+
½ O2 H2O
2H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Formação de um gradiente eletroquímico
Diferença de potencial
eletroquímico
NADH desidrogenase
Succinato
desidrogenase
Ubiquinona
Cit. bc1 Citocromo oxidase
MODELO QUIMIOSMÓTICO
Prêmio Nobel, Química (1978)
A energia eletroquímica (diferença de concentração de prótons e da separação de 
cargas através da membrana mitocondrial interna)
Gera uma força próton-motriz, à medida que os prótons fluem passivamente de 
volta para a matriz através da ATP sintase
NADH
NAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2O
2H+
NADH
NAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2O
2H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
ADP + Pi
ATP
Potencial
químico
pH
Síntese de ATP
dirigida pela
força próton-
motriz
Potencial
elétrico

Fosforilação oxidativa do ADP
NADH desidrogenaseSuccinato
desidrogenase
Ubiquinona
Cit. c oxiredutase Citocromo oxidase
ATP SINTASE
ADP + Pi ATP
(Flui através de um poro na ATP sintase)
https://www.youtube.com/watch?v=8zJjoJgNV-g
DIFERENÇA ENTRE NADH E FADH2?
NADH
NAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2O
2H+
NADH
NAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2O
2H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
NADH desidrogenase
Succinato
desidrogenase
Ubiquinona
Cit. c oxiredutase Citocromo oxidase
H+
ADP + Pi
ATP
https://www.youtube.com/watch?v=JdjCzhAS2N8
ATP SINTASE
(Flui através de um poro na ATP sintase)
ADP + Pi ATP
4 H+
AUMENTO DE TENSÃO
BALANÇO FINAL DE ATPs PRODUZIDOS COM 1 GLICOSE
Produto direto ATP final
Glicólise (citoplasma) 2 NADH
2ATP 
5
2
Oxidação do piruvato e do 
Acetil-CoA - Ciclo Krebs
(matriz mitocondrial)
8 NADH
2 FADH2
2 GTP (ATP)
20
3
2
Produção total por glicose 32
4H+ = 1 ATP
Estequiometria: NADH= 10 H+ 2,5ATP
FADH2= 6 H
+ 1,5 ATP
Estequiometria: NADH= 10 H+ 2.5 ATP
ATUALIZADA FADH2= 6 H
+ 1.5 ATP
A maior parte dos ATPs é produzida na cadeia respiratória
BOM ESTUDO!
Thomas Devlin. Bioquímica com correlações clínicas, 4a Edição
David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger - Princípios de bioquímica, 4a Edição