Princípios do Metabolismo Celular

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O METABOLISMO é a soma de todas as transformações químicas que ocorrem em uma célula ou em um organismo, mediadas por uma série de reações catalisadas por enzimas que constituem as VIAS METABÓLICAS.
 O metabolismo pode ser dividido em CATABOLISMO e ANABOLISMO.
CATABOLISMO: é a fase de degradação na qual as moléculas nutrientes contendo energia (carboidratos, lipídeos, proteínas, etc) são convertidas em produtos finais mais simples e com menor energia (CO2, NH3, ác. lático, etc). Esse processo libera a energia das moléculas nutrientes que é conservada na forma de ATP e de transportadores de elétrons reduzidos (NADH, NADPH e FADH2) - parte dessa energia é perdida na forma de calor.
ANABOLISMO: também chamado de biossíntese, o anabolismo utiliza a energia química acumulada no ATP, NADH, FADH2 para transformar moléculas precursoras mais simples em compostos celulares complexos como proteínas, polissacarídeos e ácidos nucleicos.
Algumas vias metabólicas são lineares, outras são ramificadas e geram vários produtos finais a partir de um único precursor. Em geral, as vias catabólicas são convergentes e as vias anabólicas são divergentes. Algumas vias são cíclicas, regenerando o composto inicial da via após uma série de reações.
citrato
oxaloacetato
succinato
ACETATO
(Acetil-CoA)
acetoacetil-CoA
ác. graxos
mevalonato
triglicerídeos
eicosanóides
diacilglicerol-CDP
fosfolipídeos
Isoprenil-pirofosfato
colesterol
hormônios 
esteróides
ác. biliares
pigmentos 
carotenóides
fosfolipídeos
triglicerídeos
ác. graxos
amido
glicogênio
sacarose
glucose
serina
alanina
piruvato
leucina
fanilalanina
isoleucina
CATABOLISMO CONVERGENTE
ANABOLISMO DIVERGENTE
VIA CÍCLICA
TIPOS DE VIAS METABÓLICAS NÃO LINEARES
hidrocarboneto
(metano)
álcool
(metanol)
aldeído
(formaldeído)
ácido carboxílico
(ác. fórmico)
dióxido de carbono
ENERGIA QUÍMICA RELATIVA (Entalpia – H0)
MAIS ENERGIA
MENOS ENERGIA
ESTADO DE OXIDAÇÃO CARBONO
MENOS OXIDADO
MAIS OXIDADO
MAIS REDUZIDO
MENOS REDUZIDO
 O estado de oxidação de íons metálicos pode ser avaliada de acordo com o número de elétrons presentes na eletrosfera. 
 No caso compostos orgânicos, os elétrons serão atraídos para os elementos com maior eletronegatividade, podendo um determinado elemento encontrar-se mais ou menos oxidado de acordo com os demais elementos ligados a ele.
Fe2+ Fe3+
ē
ē
mais 
reduzido
mais 
oxidado
RELAÇÕES TERMODINÂMICAS E MOLÉCULAS ENERGÉTICAS
 As reações bioquímicas, assim com qualquer reação química, são regidas pelos princípios da termodinâmica:
Primeira Lei da Termodinâmica: Toda energia de um sistema é conservada, não podendo ser criada nem destruída.
Segunda Lei da Termodinâmica: Todo os processo químico ou biológico tende a progredir na direção de uma entropia (S) máxima.
A energia química disponível em um combustível metabólico é convertida em outra forma de combustível, como o ATP, que, por conseguinte, pode ser transformada em energia mecânica (ex: contração muscular).
A energia luminosa (fótons) podem ser convertidas em energia química nos organismos autotróficos (ex: fotossíntese – CO2 + H2O C6H12O6 + O2)
A entropia é tida como a energia de um sistema que não está disponível para realizar trabalho útil. Sistemas vivos agem contra a entropia por encontrarem-se sempre organizados, e, portanto, nunca estão em equilíbrio com o ambiente, visto que o equilíbrio resultaria numa desorganização máxima.
RELAÇÕES TERMODINÂMICAS E MOLÉCULAS ENERGÉTICAS
 Energia Livre de Gibbs (G): é a parte da energia de um sistema disponível para realizar trabalho útil, e é definida por:
Variação de Energia Livre
Variação de Entalpia (conteúdo de calor)
Temperatura Absoluta (Kelvin)
Variação da Entropia
G = 0 (zero): O processo está em equilíbrio. Não há fluxo em nenhuma direção.
G negativo: A reação ocorrerá espontaneamente em direção ao equilíbrio, em parte devido a um aumento na entropia (reação exergônica)
G positivo: Energia de outra fonte deve ser aplicada ao sistema para permitir que ele ocorre em direção ao equilíbrio (reação endergônica)
O valor de G não prediz a velocidade com que a reação irá acontecer. Além disso, a variação de energia livre de um processo bioquímico é a mesma, independentemente da via ou mecanismo empregado para chegar ao estado final.
RELAÇÕES TERMODINÂMICAS E MOLÉCULAS ENERGÉTICAS
COMBUSTÃO TOTAL DA GLUCOSE – QUÍMICA
OXIDAÇÃO TOTAL DA GLUCOSE – BIOQUÍMICA
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energia
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energia
G = −686 kcal.mol-1
G = −686 kcal.mol-1
Energia química liberada na forma de luz e calor
Energia química transferida para 36-38 moléculas de ATP*
*Existe uma pequena parcela de perda energética na forma de calor
O ATP é a molécula que liga os sistemas de produção e de utilização de energia 
 O ATP (adenosina 5’-trifosfato) é um nucleotídeo de purina (adenina) cuja base nitrogenada está ligada a D-ribose por uma ligação -glicosídica. Três grupos fosforil estão esterificados na posição 5’ do resíduo de ribose em ligações FOSFOANIDRIDO de alta energia.
 A forma fisiológica desse nucleotídeo é quelada com um cátion metálico divalente (Mg2+).
ADENINA
D-RIBOSE



Mg2+
Ligações de alta energia
ADENOSINA
8
A variação de energia livre para a hidrólise do ATP é muito grande e negativa
+
H2O
A hidrólise do ATP é frequentemente acoplada às reações de anabolismo (endergônicas) para fornecer a energia livre necessária para que a reação possa ser processada.
Glucose + Pi Glucose-6-P
ATP + H2O ADP + Pi
G’o = +13,8 kJ.mol-1
G’o = -30,5 kJ.mol-1
Glucose + ATP Glucose-6-P + ADP
G’o = -16,7 kJ.mol-1
Reação endergônica
Reação exergônica
Reação acoplada
NADH e NADPH são os carreadores de hidretos (H−) das células
 Muitos processos catabólicos são de natureza oxidativa, uma vez que os carbonos dos substratos (carboidratos, lipídeos, proteínas, etc) estão num estado parcialmente ou altamente reduzidos.
 Equivalentes de redução são liberados de substratos na forma de hidretos (um próton contendo dois elétrons – H:−) que são transferidos do substrato para a nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+) por enzimas chamadas desidrogenases, com a formação de NADH.
(OXIDADO)
(REDUZIDO)
ADENINA
NICOTINAMIDA
O NADP+ possui um grupo fosfato nessa 2’-hidroxila
SUBSTRATO
REDUZIDO
PRODUTO
OXIDADO
SUBSTRATO
OXIDADO
PRODUTO
REDUZIDO
NADH
NAD+
catabolismo
anabolismo
A biossíntese do NAD e do NADP depende da Vitamina B3 (niacina ou ácido nicotínico) proveniente da dieta e derivada do triptofano.
FAD também é um equivalente de redução importante
 Os nucleotídeos de flavina, como a flavina adenina dinucleotídeo (FAD) também são capazes de carregar potencial redutor dentro da célula, e, através das flavoproteínas dos quais são cofatores, podem ser reduzida a FADH2. 
 Diferentemente da NAD+ e NADP+, o FAD carrega até dois átomos de hidrogênio (H+ + ē) ao invés de íons hidreto (H:−)
(semiquinona)
(completamente reduzido)
(oxidado)
anel isoaloxazina
Enquanto os cofatores do tipo nicotinamida (NAD e NADP) são livremente difusíveis pela célula, os nucleotídeos de flavina (FAD) normalmente são grupos prostéticos fortemente ligados às flavoproteínas.
As flavina dinucleotídeos são derivados da riboflavina (Vitamina B2).
Exemplos de reações de oxidação-redução nas células:
NADH
NAD+
NADH
NAD+
ETANOL
ACETALDEÍDO
ACETATO
álcool desidrogenase
acetaldeído desidrogenase
(citosol)
(mitocôndria)
NADH
NAD+
lactato
 desidrogenase
PIRUVATO
L-LACTATO
FAD
FADH2
succinato
 desidrogenase
SUCCINATO
FUMARATO
A Coenzima-A é a responsável pelo transporte de grupamentos acil nas células. 
-mercaptoetilamina
ácido pantotênico
ribose 3’-fosfato
adenina
3’-fosfoadenosina difosfato
Grupo Tiol Reativo
Coenzima-A
As biossíntese da coenzima A depende do ácido pantotênico (VitaminaB5) adquirido através da dieta.
O Acetil-CoA (ou acetato ativado) é uma molécula central no metabolismo celular, sendo formada a partir da degradação das moléculas nutrientes durante a fase catabólica do metabolismo. Os átomos de carbono dos carboidratos, lipídeos e proteínas são transferidos para a coenzima A para formar o Acetil-CoA, que, por sua vez, é a molécula que vai transportar esses átomos de carbono para as vias de biossíntese (citosol) ou para as vias de produção de ATP (mitocôndria).