Aula 1 Bioenergética e oxidação biológica

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Bioenergética e oxidação biológica – uma introdução ao metabolismo
Disciplina: Bioquímica Médica
Prof. Thiago Freitas
Importância biomédica
Bioenergética/Termodinâmica bioquímica
Alterações de energia em sistemas biológicos isotérmicos
Balanço energético: nutrição excessiva e desnutrição (DPE)
Marasmo (inanição)/Caquexia/Kwashiorkor
Taxas metabólicas – hormônios tireoidianos (T3 e T4): desenvolvimentos de doenças
Obesidade/Doença cardiovascular/Diabetes tipo 2/Síndrome metabólica
Envelhecimento/estresse oxidativo – restrição calórica/jejum periódico/jejum intermitente
O ciclo jejum-alimentação 
Anamnese nutricional
Energia livre – energia útil em um sistema
Conceitos:
Variação de energia livre de Gibbs (∆G)
1ª e 2ª Leis da termodinâmica em sistemas biológicos – conservação de energia e entropia
∆G negativo – reações espontâneas (exergônica)
∆G positivo – reações não espontâneas (endergônica)
∆G = 0 (sistema em equilíbrio)
As enzimas alteram o ∆G de uma reação?? Alteram a espontaneidade de uma reação??
Como podemos criar ordem sem burlar a 2ª lei da termodinâmica?? – desenvolvimento humano!!
Acoplamento de reações – um mecanismo essencial para as reações bioquímicas!!
Ex: reação da hexoquinase
Na prática, um processo endergônico pode existir de forma independente?
Metabolismo: catabolismo e anabolismo
Conceitos:
Catabolismo – reações exergônicas
Anabolismo – síntese de biomoléculas (carboidratos, lipídeos, proteínas etc.)
O anabolismo também compreende reações exergônicas??
A relação energética entre as vias catabólicas e anabólicas
Outro tipo de acoplamento de reações comum no metabolismo
NAD+/NADH
NADP+/NADPH
FAD/FADH2
VITAMINAS/COENZIMAS!!
A + C I B + D
Síntese de compostos intermediários de alta energia para transferência de energia e acoplamento
Vantagem deste mecanismo?
Utilização de ~E em processos endergônicos que necessitam de energia!!
??
Fosfatos de alta energia – captura e transferência de energia
Ligação fosfoanidrido ou anidrido fosfórica
Ligação éster ou fosfoéster
Organismos autotróficos e heterotróficos
*
*
Ligações fosfato de alta e baixa energia
A posição intermediária do ATP na escala de potencial de transferência de energia!!!
Origem da energia proveniente da hidrólise da ATP
Por que a hidrólise do ATP possui variação de energia livre alta? O que favorece quimicamente este processo de hidrólise?
Outro esquema semelhante mostrando as bases químicas para a grande variação de energia livre associada à hidrólise de ATP
Exemplo de reação de hidrólise de ATP em duas etapas
Hidrólise do Fosfoenolpiruvato
Hidrólise da fosfocreatina
Hidrólise da acetil-coenzima A
Vitamina!!!
Os fosfatos de alta energia atuam como a “moeda energética” da célula
Pool total de ATP/ADP
Velocidade de reciclagem
3 fontes principais de fosfato de alta energia que participam da conservação ou captura de energia
Enzimas – fosforilação em nível de substrato!!
Transferência de fosfato de alta energia entre ATP e glicose
Transferência de fosfato de alta energia entre ATP e creatina – Fosfogênios!!
Biossíntese de creatina-fosfato e creatinina
Creatinina – marcador de função renal!!
Suplementação de creatina!!
O ATP permite o acoplamento de reações desfavoráveis a favoráveis termodinamicamente
Ciclos de fosfato e interconversão de nucleotídeos de adenina
ATP + UDP ADP + UTP
Nucleosídeo
Difosfato quinase 
Oxidação biológica – níveis de oxidação do carbono em biomoléculas
Conceitos:
O que é oxidação/redução?
Reações de oxi-redução – oxirredutases (oxidases, desidrogenases, hidroperoxidases e oxigenases)
Agente oxidante/Agente redutor
Reações de hidro/desidrogenação
Reações de oxidação com oxigênio – respiração celular
Reações catalisadas por oxigenases – o sistema citocromo P450 (metabolização de fármacos, poluentes e xenobióticos)
Potencial redox – outra forma de expressar as variações de energia livre
As oxidases utilizam oxigênio como aceptor de hidrogênio
A citocromo-oxidase (citocromo aa3) é uma hemoproteína - CTE
Intoxicação por bloqueadores:
CO
HCN
H2S
Os grupos prostéticos de citocromos – grupo heme
Enzimas flavoproteínas – outro tipo de oxidase
Grupamentos prostéticos: FMN ou FAD
Ex: L-aminoácido-oxidase e xantina oxidase
Vitamina / β-oxidação de ácidos graxos!!
* Cofator / Coenzima / Apoenzima
GOTA – um distúrbio metabólico do catabolismo de purinas!!
PRPP-sintase / Hidroclorotiazida!!!
Desidrogenases
Não há participação direta do oxigênio!!
Funções principais: transferência de hidrogênio por coenzimas carreadoras 
Glicólise / CK / CTE!!!
Desidrogenases dependentes de coenzimas nicotinamidas
A niacina não é estritamente uma vitamina!!
Forma oxidada e reduzida da coenzima nicotinamida (NAD+/NADH)
Vias biossintéticas!!!
Exemplo de desidrogenase dependente de NAD+
Metabolismo do álcool
Doença hepática alcoólica (DHA):Esteatose hepática/Cirrose
Aumento da razão NADH/NAD+
Aumento da razão lactato/piruvato
Metabolismo via citocromo P450
Deficiência enzimática: acetaldeído desidrogenase
Desidrogenase dependente de riboflavina
Citocromos classificados como desidrogenases
* Exceção para citocromo-oxidase!!
Hidroperoxidases – outro tipo de oxirredutase
Substrato: peróxido de hidrogênio ou peróxido orgânico
Exemplos: peroxidase e catalase
Função: proteção contra EROs (câncer, aterosclerose, envelhecimento...)
H2O2 + AH2 2H2O + A
PEROXIDASE 
2H2O2 2H2O + O2
CATALASE 
Xantina-oxidase
*
Glutationa-peroxidase nas hemácias
Selênio!!
Biossíntese de glutationa
Tripeptídeo γ-glutamilcisteinilglicina
Vitamina C – redução de H2O2
Vitamina E – principal antioxidante lipossolúvel das membranas celulares e das lipoproteínas plasmáticas
Interação entre os dois principais antioxidantes – Vitaminas C e E
Oxigenases – transferência direta e incorporação de oxigênio molecular ao substrato
Dioxigenases: A + O2 AO2
Ex: homogentisato-dioxigenase; 3-hidroxiantranilato-dioxigenase; L-triptofano-dioxigenase (triptofano-pirolase) 
Monoxigenases (ou hidroxilases): A-H + O2 + ZH2 A-OH + H2O + Z
Ex: Citocromos P450 e b5
Citocromos P450 e b5 no retículo endoplasmático
* Destoxificação de medicamentos!!
Síntese de ácido graxo insaturado não essencial - Dessaturação
Ciclo do citocromo P450-hidroxilase
Biossíntese de ácidos biliares
Biossíntese de hormônios esteróides
Biossíntese de esteroides suprarrenais
Formação e hidroxilação da vitaminas D3
Pontos importantes para o estudo de uma via metabólica:
Localização intracelular – o metabolismo é tecido específico
Objetivo bioquímico e fisiológico do funcionamento da via metabólica
Precursor(es) – origem e via de síntese
Pontos de ramificação (entrada e saída de intermediários) e destino metabólico
Produto(s) final(is) e destino metabólico – finalidade bioquímica para o deslocamento!!
Regulação geral da via por balanço energético ou oxirredução – relação ATP/ADP e/ou NADH/NAD+
Pontos de regulação enzimática – regulação alostérica (regulação por retroalimentação/feedback), covalente/hormonal (fosforilação), gênica (mRNA) e por compartimentalização
Efeitos gerais no metabolismo mediante inibição ou mal funcionamento de uma via metabólica – erros inatos do metabolismo!!
Etapas de síntese e/ou consumo de ATP – enzimas catalisadoras
Etapas de utilização de coenzimas – vitaminas precursoras
Tipos de reação química e grupamentos funcionais envolvidos: oxi-redução, hidrólise, fosforilação.
Transformações químicas e estruturais ao longo da via (ataques nucleofílicos)
Transformações energéticas ao longo da via – ∆G, espontaneidade e irreversibilidade de reações
Localização intracelular das vias metabólicas
Vias metabólicas:
São reações bioquímicas coordenadas (sequencias e ramificadas)
As vias e suas enzimas catalisadoraspodem ser tecido ou órgão específico
Isoformas de enzimas e regulação gênica
A velocidade das vias é coordenada de acordo com especificidades metabólicas de cada tecido ou órgão
Catabolismo X Anabolismo!!
Biologia da obesidade
Regulação fisiológica do equilíbrio energético
Fatores liberados pelo adipócito
Leptina
Fisiopatologia da síndrome metabólica
Biologia do envelhecimento
Agentes antienvelhecimento
Caso clínico:
Referencias