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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS CENTRO DE CIÊNCIAS QUÍMICAS, FARMACÊUTICAS E DE ALIMENTOS Metabolismo de Carboidratos Disciplina de Bioquímica (1650024) - Curso de Agronomia e- e- e- e- e- e- e- e- = elétron FLUXOGRAMA DAS OXIDAÇÕES BIOLÓGICAS Introdução Reserva • Amido (plantas) • Glicogênio (animais) metabolismo de glicídeos Dieta GLICOSE Fotossíntese Gliconeogênese Digestão (animais) Síntese (animais e plantas)Síntese (plantas) mobilização síntese De onde animais e plantas obtêm glicose? Introdução Reserva • Amido (plantas) • Glicogênio (animais) Dieta GLICOSE Fotossíntese Gliconeogênese Digestão (animais) Síntese (animais e plantas)Síntese (plantas) mobilização síntese De onde animais e plantas obtêm glicose? Digestão e Absorção • Digestão Somatório de processos pelos quais macromoléculas dos alimentos são degradadas a compostos simples, os quais são absorvidos pelo trato gastrointestinal. • Absorção Processo pelo qual os produtos da digestão são transportados desde a luz intestinal até a circulação sangüínea. Estômago simples Ceco bem desenvolvido Digestão de carboidratos em Herbívoros Não-Ruminantes glicose e galactose lactoselactase glicoseisomaltose e dextrinas a (1→6)isomaltase glicose e frutose sacarosesacaraseCélulas intestinais glicoseoligossacarídios (até 9 glicoses) a (1→4)maltase maltose maltotriose dextrinas amidoa (1→4)a-amilase (pâncreas) Intestino delgado maltose maltotriose dextrinas amidoa (1→4)a-amilase (glândulas salivares, pH 7,0) Boca (α-amilase ausente ou pequena quantidade em herbívoros) ProdutoSubstratoLigaçãoEnzima Intestino grosso (ceco e cólon) celulase (bacteriana) (1→4) celulose Glicose (utilizada pelos microorganismos) Digestão de carboidratos em Herbívoros Não-Ruminantes → Em herbívoros não ruminantes a celulose e outros polissacarídeos são degradados e utilizados por microorganismos existentes no ceco (porção inicial do intestino grosso). Os produtos da fermentação da celulose, principalmente os ácidos carboxílicos voláteis: ACETATO, BUTIRATO e PROPIONATO liberados pelos microorganismos, são absorvidos pelo animal, semelhante ao que acontece com o processo fermentativo dos carboidratos nos animais ruminantes. Absorção das oses no intestino delgado Digestão de carboidratos em Herbívoros Não-Ruminantes • São poligástricos • Rúmen (pança) • Retículo (barrete) • Omaso (folhoso) • Abomaso (coagulador) não secretam enzimas Digestão de carboidratos em Herbívoros Ruminantes Animais ruminantes são capazes de metabolizar a celulose devido às celulases bacterianas no rúmen, o primeiro e maior compartimento do estômago de um ruminante. Esôfago Omaso Intestino delgado Retículo Abomaso Rúmen Duas etapas Metabolismo fermentativo da dieta: microorganismos do rúmen e/ou intestino grosso (ceco, cólon) Decomposição hidrolítica enzimática dos nutrientes: abomaso e intestino delgado • Sistema digestivo permite aproveitar os nutrientes contidos em alimentos fibrosos e grosseiros → ação de microorganismos e forças mecânicas Digestão de carboidratos em Herbívoros Ruminantes Rúmen • > compartimento • câmara de fermentação: úmido, 39°C, anaeróbio, pH 7,0 • decomposição dos alimentos pela ação dos microorganismos (bactérias, protozoários e fungos) • bactérias celulolíticas: digerem os volumosos (capim, feno, silagem) • bactérias amilolíticas: digerem os concentrados (ração, milho, farelos) • produção de gases metano e carbônico (eliminados pela boca) • ABSORÇÃO DE ACETATO, BUTIRATO E PROPIONATO Digestão de carboidratos em Herbívoros Ruminantes Rúmen • Simbiose microorganismos animal Os microorganismos secretam enzimas para o meio, digerem os alimentos e absorvem parte dos nutrientes para sua própria manutenção. Em contrapartida, ao morrerem, restituem seu conteúdo celular ao organismo, especialmente substâncias nitrogenadas, que retornam ao circuito da digestão. Digestão de carboidratos em Herbívoros Ruminantes Retículo • < compartimento • atividade fermentativa • atua como um “marca-passo” dos movimentos de ruminação (regurgitação) • alimento é prensado, perdendo boa parte da água • absorção de ácidos graxos voláteis Omaso Digestão de carboidratos em Herbívoros Ruminantes Abomaso • estômago verdadeiro (digestão propriamente dita) • alimento sofre a ação química do suco gástrico secretado pelas glândulas de sua mucosa • suco gástrico: - quimosina (coalho) – coagulação caseína do leite - pepsina - HCl • digestão peptídica dos microorganismos Digestão de carboidratos em Herbívoros Ruminantes • Ao sair do abomaso, o bolo alimentar passa para o intestino delgado, onde haverá continuidade do processo químico (enzimas do suco pancréatico e da parede intestinal) e posterior absorção dos nutrientes. • absorção de água e eletrólitos • atividade fermentativa (ceco, cólon) • produção das fezes Intestino delgado Intestino grosso Digestão de carboidratos em Herbívoros Ruminantes • o leite, para ser digerido, sofre ação de enzimas contidas no suco gástrico produzido pelo abomaso (ao nascimento, é o compartimento mais desenvolvido) • quando o filhote succiona o leite, a goteira esofágica age como uma calha que desvia o leite do rúmen, direcionando-o para o abomaso Estômago dos filhotes Digestão de carboidratos em Herbívoros Ruminantes Metabolismo de Glicídeos Mobilização de reservas glicídicas (glicogênio) em animais • Glicogenólise Metabolismo do Glicogênio Glicogênio • Polímero de glicose a-1,4 e a-1,6 • Reserva energética animal • Altamente ramificado – rapidamente metabolisado • cada ramificação contribui com uma extremidade não redutora, local de ação das enzimas de síntese ou degradação • Principais depósitos: • Fígado → grande capacidade de armazenamento, pode representar até 10% de seu peso • Músculo Esquelético → até 1 a 2% de seu peso Metabolismo do Glicogênio Funções do glicogênio: • Hepático → reserva de glicose para manutenção da glicemia (jejum) • Muscular → reserva de glicose para produção de ATP durante intensa atividade (catabolismo anaeróbico) Vias de: • Síntese → glicogênese • Degradação → glicogenólise Glicogenólise Conceito: • Degradação do glicogênio armazenado como reserva até glicose Funções: • Fígado: obtenção de glicose para manutenção da glicemia • Músculo: obtenção de glicose para a geração de energia (via glicólise) para as contrações musculares intensas Ocorrência: • Fígado: períodos de jejum • Músculo: contrações musculares intensas Glicogenólise Reações: A partir das extremidades não redutoras, inicia pela fosforólise de unidades de glicose pela Glicogênio Fosforilase: (glicogênio)n + Pi Glicogênio fosforilase (glicogênio)n-1 + glicose-1P * 4-a-D-Glicanotransferase Amilo - a(1-6) Glicosidase: remoção ramificações glicose-1P Fosfoglicomutase glicose-6P glicose-6P Fígado: Músculo: Glicólise Energia (ATP) glicose-6P Glicose 6-P fosfatase Glicose + Pi sangue No músculo não possui a enzima glicose 6-P fosfatase Mobilização de Reservas Glicídicas (Amido) em Vegetais • Amido Amilose → polímero de glicose a-1,4 Amilopectina → polímero de glicose a-1,4 e ramificações a-1,6 Ex.: Sementes em germinação • Enzimas • a-Amilase → ligações a-1,4 ao acaso • -Amilase → ligações a-1,4 alternadas a partir das extremidades não redutoras, produzindo unidades de maltose • Enzima desramificadora→ cliva ligações a-1,6 • Fosforilase do Amido → ligações a-1,4 a partir dos finais não redutores, incorporando Pi • a-Glicosidase → cliva ligações a-1,4 de oligossacarídeos Mobilização de Amido em Vegetais – Via hidrolítica • Amilose a-Amilase, -Amilase Maltose e Glicose Maltose a-Glicosidase Glicose + Glicose • Amilopectina a-Amilase, -Amilase Maltose, dextrinas lineares e ramificadas e glicose Oligossacarídeos linerares Glicose a-Glicosidase Dextrinas ramificadas Enzima Desramificadora Oligossacarídeos lineares Mobilização de Amido em Vegetais – Via Fosforolítica Amilose Amilopectina Fosforilase do Amido Glicose 1-P Amilopectina Enzima Desramificadora Amilose + Pi ß-amilase Fosforilase do amido Final redutor Final não-redutor α-amilase Final não-redutor Final não-redutor Enzima desramificadora CATABOLISMO DA GLICOSE EM CONDIÇÕES AERÓBICAS Etapas: 1. Glicólise → citoplasma 2. Ciclo de Krebs → matriz mitocondrial 3. Cadeia respiratória/fosforilação oxidativa → membrana interna da mitocôndria C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Energia ( 686 kcal/mol) CH AAs Vits–coenz–horm Nt Lip CK Glicólise Via glicolítica Via de Embden – Meyerhoff – Parnas via metabólica que compreende uma série de reações enzimáticas com objetivo de oxidar a glicose a piruvato na qual parte da energia é conservada na forma de ATP Glicólise (lise da glicose) 1ª via metabólica a ser elucidada (talvez a mais bem estudada ) processo universal (animais, vegetais, MO) Glicose Glicose-6-P Frutose-6-P Frutose-1,6-bisfosfato Gliceraldeído-3-P Diidroxiacetona-P Gliceraldeído-3-P (2) 1,3-Bisfosfoglicerato (2) 3-Fosfoglicerato (2) 2-Fosfoglicerato (2) Fosfoenolpiruvato (2) Piruvato (2) Hexoquinase Fosfoglicoisomerase Fosfofrutoquinase Frutose-1,6-bisfosfato aldolase Triose fosfato isomerase Gliceraldeído-3-P desidrogenase Fosfoglicerato quinase Fosfoglicerato mutase Enolase Piruvato quinase GLICÓLISE Glicólise – localização sub-celular Mitocôndria Citosol Fosforilação em nível de substrato Glicólise Glicose Piruvato G lic ó lis e - R e a çõ e s Glicose Hexoquinase Frutose-6-fosfato Glicose-6-fosfato Frutose -1, 6- bisfosfato 1 2 6 4 5 Fosfoglicoisomerase Fosfofrutoquinase Triose fosfato isomerase 3 Gliceraldeído 3-fosfato Dihidroxicetona fosfato Glicólise Fase de investimento de energia G lic ó lis e - R e a çõ e s Gliceraldeído 3-P desidrogenase 87 6 10 9 Fosfogliceroquinase Fosfogliceromutase 1, 3- Bisfosfoglicerato 3- Fosfoglicerato 2- Fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato Piruvatoquinase Piruvato Fase de pagamento de energia G lic ó lis e – V ia s tr ib u tá ri a s metabolismo de glicídeos Glicólise - Balancete energético (até piruvato) metabolismo de glicídeos FASE DE PAGAMENTO DE ENERGIA Glicose 2 ADP 2 ATP 4 ADP 4 ATP 2 NAD+ 2 NADH 2 ADP + 2 Pi 2 Piruvato 2 ATP Glicose 2 Piruvato + 2 H2O 2 NAD+ 2 NADH FASE DE INVESTIMENTO DE ENERGIA ATP ATP • O que acontece com o NADH produzido na glicólise?? metabolismo de glicídeos Reoxidação do NADH Citossólico NADH Fermentação alcoólica Fermentação láctica Cadeia de transporte de elétrons Condições anaeróbicas Condições aeróbicas Lançadeiras de elétrons metabolismo de glicídeos Reoxidação do NADH Citossólico NADH Fermentação alcoólica Fermentação láctica Cadeia de transporte de elétrons Condições anaeróbicas Condições aeróbicas Lançadeiras de elétrons metabolismo de glicídeos Reoxidação do NADH Citossólico NADH Fermentação alcoólica Fermentação láctica Cadeia de transporte de elétrons Condições anaeróbicas Condições aeróbicas Lançadeiras de elétrons Lançadeira Malato-aspartato Espaço intermembrana Aspartato amino- transferase Aspartato amino- transferase Oxaloacetato Oxaloacetato Malato Malato Matriz Malato desidrogenaseMalato desidrogenase Aspartato Aspartato a-Cetoglutarato a-Cetoglutarato Glutamato Glutamato Transportador glutamato-aspartato Transportador malato- a-cetoglutarato Fígado, rim e coração metabolismo de glicídeos Lançadeira Glicerol-P Espaço intermembrana Glicólise Glicerol 3-P Matriz Dihidroxicetona P Glicerol 3-P desidrogenase citossólica Glicerol 3-P desidrogenase mitocondrial • Músculo esquelético • Cérebro metabolismo de glicídeos Destinos do piruvato Glicose 2 Piruvato 2 Acetil-CoA Glicólise 4 CO2 + 4 H2O Fermentação alcoólica em leveduras 2 Etanol + 2 CO2 2 Lactato Fermentação a lactato em músculo em contração vigorosa, eritrócitos, algumas outras células e organismosCK 2CO2 Condições anaeróbicas Condições anaeróbicas Condições aeróbicas Animais, plantas, muitos microorganismos em condições aeróbicas metabolismo de glicídeos Piruvato Etanol ou Lactato SEM O2 COM O2 CK Acetil CoA Citosol Mitocôndria Destinos do piruvato Glicose Piruvato → Acetil-CoA Piruvato Proteína transportadora citosol CoASH Acetil CoA Mitocôndria Complexo piruvato desidrogenase Destinos do piruvato – aerobiose Reação preparatória para entrada do piruvato no Ciclo de Krebs: Piruvato → Acetil-CoA metabolismo de glicídeos NAD FAD CoA TPP Ac lipóico metabolismo de glicídeos Piruvato (da glicólise, 2 moléculas por glicose) Ciclo de Krebs Acetil Co-A G lic ó lis e - B a la n ce te e n e rg é ti co ( a e ro b io se ) metabolismo de glicídeos fosforilação em nível de substrato fosforilação em nível de substrato fosforilação oxidativa Mitocôndriacitosol Glicólise Glicose Piruvato Ciclo de Krebs Elétrons carreados via NADH e FADH2 Cadeia Respiratória e Fosforilação oxidativa ATP ATPATP Elétrons carreados via NADH Glicólise - Balancete energético (aerobiose) reoxidação do NADH Mitocôndriacitosol Glicólise Glicose 2 Piruvato 2 Acetil CoA Ciclo de Krebs 2 NADH Cadeia Respiratória e Fosforilação oxidativa por fosforilação em nível de substrato + 2 ATP + 28 ATP+ 2 ATP por fosforilação em nível de substrato por fosforilação oxidativa 30-32 ATP por glicose Balanço líquido 2 NADH 6 NADH 2 FADH2 Glicólise - Balancete energético (aerobiose) C ic lo d e K re b s - R e a çõ e s ox id a çõ e s b io ló g ic a s exterior da mitocôndria Fosforilação oxidativa acoplada à CTE oxidações biológicas Membrana Mitocondrial Externa Espaço intermembrana ATP [H+] [H+] Matriz Mitocondrial Membrana Mitocondrial Interna Transporte de elétrons Síntese de ATP Os elétrons (carregados via NADH e FADH2) oriundos de vias metabólicas (glicólise, CK, -oxidação) “alimentam” os transportadores da MMI, os quais bombeiam prótons H+ para o EI O bombeamento de H+ causa uma ça de carga e de pH entre o EI e a MM. Este gradiente eletroquímico é a força próton-motriz para a síntese de ATP A força próton-motriz impulsiona os H+ de volta à MM, suprindo a E para a síntese de ATP, catalisada pelo complexo ATP sintase na MMI sintase O diagrama mostra a regulação integrada da glicólise, oxidação do piruvato, ciclo do ácido cítrico e fosforilação oxidativa pelas concentrações relativas de ATP, ADP, e AMP e por NADH. Ativação alostérica Inibição alostérica metabolismo de glicídeos Piruvato Etanol ou Lactato SEM O2 COM O2 CK Acetil CoA Citosol Mitocôndria Destinos do piruvato Glicose • Permite a produção contínua de ATP em tecidos que não possuem mitocôndria (eritrócitos) ou em células deficientes em O2. Fermentação láctica No músculo esquelético • Quando sob intensa atividade, a demanda por ATP aumenta e o fluxo sangüíneo não é capaz de prover, de forma suficiente, O2 e combustível (glicose sangüínea, ácidos graxos e corpos cetônicos) para a síntese aeróbica de ATP. • Assim, o glicogênio armazenado é utilizado como fonte de glicose para a fermentação láctica. • Junto com a degradação aeróbica, ocorre também a anaeróbica. Fermentação láctica No músculo cardíaco • Comumente causada pelo estreitamento das artérias coronárias, as quais não levarão O2 ao coração. Este, por ser um órgão aeróbico, não vai obter energia suficiente, com morte do tecido. • Emergencialmente, o músculo cardíaco vai realizar o catabolismo anaeróbico da glicose, até o restabelecimento do fluxo sangüíneo. Tecidos glicolíticos • Eritrócitos, córnea, cristalino, retina → sem mitocôndrias • Medula óssea, medula renal, testículos, leucócitos → poucas mitocôndrias Fermentação láctica • Bactérias • Hemácias • Fibras musculares brancas (contração rápida) • Fibras musculares em geral (esforço intenso) ▪ Vegetais 2 Lactato Glicose Glicólise 2 Piruvato Lactato desidrogenase LDH metabolismo de glicídeos Destinos do piruvato - anaerobiose reoxidação do NADH Fermentação alcoólica •Leveduras • Vegetais 2 Etanol Glicose Glicólise 2 Piruvato Álcool desidrogenase ADH metabolismo de glicídeos Piruvato descarbo xilase 2 Acetaldeído Destinos do piruvato - anaerobiose reoxidação do NADH Outras fermentações Acética Propiônica Butírica Pela hipótese de Davies-Roberts, em vegetais, o metabolismo anaeróbico é regulado pelas atividades das enzimas sensíveis ao pH – lactato desidrogenase e piruvato descarboxilase metabolismo de glicídeos G lic ó lis e - B a la n ce te e n e rg é ti co ( a n a e ro b io se ) FASE DE PAGAMENTO DE ENERGIA Glicose 2 ADP 2 ATP 4 ADP 4 ATP 2 NAD+ 2 NADH 2 ADP + 2 Pi 2 Piruvato 2 ATP Glicose 2 NAD+ 2 NADH FASE DE INVESTIMENTO DE ENERGIA ATP ATP 2 Piruvato + 2 H2O metabolismo de glicídeos Destino do lactato – Ciclo de Cori ➢ Conexão metabólica entre o fígado e outros tecidos (músculo, hemácias) dependentes de glicose para obtenção de energia ➢ Lactato sintetizado a partir do catabolismo anaeróbico da glicose pode ser utilizado como substrato na síntese de glicose no fígado Destino do lactato – Ciclo de Cori LDH LDH Via das Pentoses-Fosfato • Rota secundária no metabolismo dos carboidratos nas células de alguns tecidos • Desvio das Hexoses-Monofosfato; Via do Fosfogluconato Funções • Converter hexoses em pentoses: síntese de ribose-5P → nucleotídeos • Síntese de NADPH (redutor biológico): • manter o ferro da hemoglobina como Fe2+ • redutor na síntese de ácidos graxos, colesterol, ... • ação antioxidante (estabiliza radicais livres) • Síntese de Eritrose 4-P, subtrato essencial para síntese de compostos aromáticos: aminoácidos, monômeros da lignina e antocianinas em vegetais, etc. Ocorrência • Em tecidos que precisem da função redutora do NADPH (tecido adiposo, fígado, glândula mamária em lactação, eritrócitos) Via das Pentoses-P Via das Pentoses-Fosfato 6 Glicose-6P + 12 NADP+ + 6 H2O → 5 Glicose-6P + 6 CO2 + 12 NADPH + 12 H + Precursores biossintéticos e catabólicos fornecidos pela Via das Pentoses-P. Introdução Reserva • Amido (plantas) • Glicogênio (animais) metabolismo de glicídeos Dieta GLICOSE Fotossíntese Gliconeogênese digestão síntese síntese mobilização/ digestão síntese Conceito • Síntese de glicose a partir de compostos não glicídicos de, no mínimo, 3 carbonos na molécula. Capazes de serem convertidos em intermediários da Glicólise ou Ciclo de Krebs Gliconeogênese Ocorrência • Fígado – 90% Rins – 10% • Enzimas presentes no citossol e matriz mitocondrial Gliconeogênese Funções • Síntese de glicose para manutenção da glicemia (jejum) • Recuperação hepática do lactato muscular (ciclo de Cori) essencial ruminantes Precursores da gliconeogênese • Piruvato • Lactato • Intermediários do CK • Aminoácidos (exceção lisina e leucina) • Glicerol-P (derivado dos TAG) • Propionato (importante ruminantes) • Ácidos graxos (vegetais – sementes oleaginosas) G lic o n e o g ê n e se Glicose Glicose- 6-P Frutose- 6-P Frutose- 1,6- bis P GLiceraldeído-3-P Hexoquinase /Glicoquinase ATP ADP Pi H2O ATP ADP Pi H2O Glicogênio Pi NADH + H+ ADP NAD+ 1,3-Bisfosfoglicerato 3-Fosfoglicerato 2-Fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato ATP ADP Piruvato Lactato Glicerol ATP ADP NADH + H+ NAD+ Glicerol-3-P Dihidrixicetona-P Fosfofrutoquinase Oxaloacetato NADH+H+ NAD+ Piruvato Citrato a-Cetoglutarato Succinil-CoAFumarato Malato CO2 + ATP ADP + Pi NADH+H+ NAD+ PropionatoAminoácidos AAs AAs AAs Oxaloacetato Malato GDP+ CO2 GTP NADH+H+ NAD+ Piruvato Carboxilase Fosfoenolpiruvato Carboxiquinase Frutose-1,6- bisfosfatase Glicose 6-P fosfatase ATP
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