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1 ROTEIRO DE AULAS TEÓRICAS: BIOQUÍMICA CURSO: FISIOTERAPIA 1º PERÍODO PROF: M.Sc. MARCELO SANTOS DE OLIVEIRA Barbacena – MG 2013 2 PARTE 1 ESTRUTURA E FUNÇÃO Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 3 CARBOIDRATOS São aldeídos ou cetonas poliidroxilados ou substâncias que liberam esses compostos por hidrólise. Possuem em sua maioria a fórmula geral (CH2O)n, pois alguns possuem também átomos de N, P e S. PROPRIEDADES • Sólidos em forma de cristais; • Possuem sabor adocicado; • Solúveis em água; Funções • Propriedade estrutural. Ex.: celulose (parede celular vegetal) e quitina (exoesqueleto dos artrópodes). • São alimentos de reserva. Ex.: amido (vegetais) e glicogênio (animais). • Função energética: ao serem metabolizados vão liberar certa quantidade de energia na forma de ATP que é armazenada e utilizada em outros processos metabólicos no organismo. NOMENCLATURA Possuem o sufixo OSE, principalmente os monossacarídeos. CLASSIFICAÇÃO Divididos em três classes principais: • MONOSSACARÍDEOS São os glúcides mais simples, que não sofrem hidrólise, originando outras substâncias glucídicas. Ex.: glicose, galactose, frutose. • OLIGOSSACARÍDEOS São formados por cadeias curtas de unidades monossacarídicas, unidas entre si por ligações características, chamadas ligações O-glicosídicas. Sofrem hidrólise originando outras substâncias glucídicas. Ex.: Sacarose (glicose + frutose) • POLISSACARÍDEOS São polímeros de açúcares que contêm mais de 20 unidades de monossacarídeos. Ex.: Amido e glicogênio MONOSSACARÍDEOS Consistem de uma única unidade de poliidroxialdeído ou cetona. São os glúcides mais simples, que não sofrem hidrólise, originando outras substâncias glucídicas. Possuem de 3 a 7 átomos de carbono. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 4 O esqueleto carbônico dos monossacarídeos é constituído por uma cadeia carbônica não ramificada na qual todos os átomos de carbono estão unidos entre si por ligações covalentes simples. Um dos átomos de C é unido por uma dupla ligação a um átomo de oxigênio formando um grupo CARBONILA, cada um dos outros átomos de C tem um grupo hidroxila. Quando o grupo carbonila está em uma das extremidades da cadeia carbônica, o monossacarídeo é um aldeído chamado de ALDOSE. Quando o grupo carbonila está em qualquer outra posição, o monossacarídeo é uma cetona chamada CETOSE. CLASSIFICAÇÃO DOS MONOSSACARÍDEOS a) Baseado no grupo funcional ALDOSES e CETOSES b) Baseado no número de carbonos CARBONOS ALDOSES CETOSES 3 ALDOTRIOSE CETOTRIOSE 4 ALDOTETROSE CETOTETROSE 5 ALDOPENTOSE CETOPENTOSE 6 ALDOHEXOSE CETOHEXOSE 7 ALDOHEPTOSE CETOHEPTOSE OLIGOSSACARÍDEOS São formadas por cadeias curtas de unidades monossacarídeas, unidas entre si por ligações características, chamadas ligações O-glicosídicas. Os mais abundantes são os dissacarídeos, formados por 2 unidades de monossacarídeos. PRINCIPAIS OLIGOSSACARÍDEOS DE INTERESSE 1. Maltose- É um dissacarídeo formado por 2 moléculas de glicose unidas através de ligação O-glicosídica do tipo (α 1 4). Fontes de obtenção: hidrólise parcial do amido. 2. Isomaltose- É um dissacarídeo formado por 2 moléculas de glicose unidas através de ligação O-glicosídica do tipo (α1 6). Fontes de obtenção: hidrólise parcial do amido. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 5 3. Lactose- É um dissacarídeo formado por 1 molécula de galactose e 1 de glicose unidas através de ligação O-glicosídica do tipo (β1 4). Fontes de obtenção: leite e derivados. 4. Sacarose- É um dissacarídeo formado por 1 molécula de glicose e 1 molécula de frutose unidas através de ligação O-glicosídica do tipo (α1 β2). Fontes de obtenção: Cana-de-açúcar e beterraba. POLISSACARÍDEOS São também chamados glicanos. São polímeros de açúcares que contêm mais de 20 unidades de monossacarídeos. CLASSIFICAÇÃO: • Homopolissacarídeos contêm apenas um único tipo de unidade monomérica. • Heteropolissacarídeos contêm dois ou mais tipos diferentes de unidades monoméricas. 1) Homopolissacarídeos Amido: Carboidrato de reserva energética em vegetais. Contém dois tipos de polímeros da glicose, a amilose e a amilopectina. Amilose consiste de cadeias longas, não-ramificadas de unidades de D-glicose conectadas por ligação (α1 4). Amilopectina porção ramificada da molécula de amido. As ligações glicosídicas entre as unidades de glicose nas cadeias de amilopectina são do tipo (α1 4), mas nos pontos de ramificação ( cerca de 1 a cada 24 a 30 unidades) são (α1 6). Glicogênio: É o principal polissacarídeo de reserva das células animais. Polímero de unidades de D-glicose unidas por meio de ligações (α1 4), com ligações (α1 6) nas ramificações. O glicogênio está presente principalmente no músculo esquelético e no fígado. Celulose: Encontrada na parede celular vegetal. Polímero linear e não ramificado de 10 a 15 mil unidades de D-glicose unidas por ligação (β1 4). Importância da celulose Nos vegetais tem função estrutural. Nos animais tem outras funções: • As fibras de celulose participam da formação do bolo fecal, dando-lhe consistência. • Ajuda a aumentar os movimentos peristálticos intestinais levando a uma menor retenção das fezes possibilitando uma ação limpadora, eliminando substâncias tóxicas e até cancerígenas. • A celulose indiretamente reduz os níveis de colesterol total, pois se liga aos sais biliares de maneira forte e irreversível. Dessa forma estes Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 6 deixam de exercer sua função emulsificadora de gorduras. Ocorrerá então uma maior mobilização do colesterol sangüíneo uma vez que este é o precursor da síntese de ácidos e sais biliares. Um indivíduo com alimentação pobre em celulose reutilizará os sais biliares várias vezes. Quitina: Polissacarídeo linear composto por unidades de N-acetil-D- glicosamina em ligação (β1 4). É o principal componente do exoesqueleto duro dos artrópodes, pex. Insetos, caranguejos. 2) Heteropolissacarídeos Normalmente os heteropolissacarídeos possuem 2 unidades glicosídicas diferentes e alternadas, assim como podem apresentar também 2 ligações glicosídicas diferentes e alternadas. Peptideoglicano: Componente rígido das paredes celulares bacterianas é um heteropolímero constituído por unidades alternantes de N-acetilglucosamina e ácido N-acetilmurâmico unidas por ligação (β1 4). Ácido hialurônico: É um heteropolissacarídeo da família dos glicosaminoglicanos. Contém unidades alternadas de ácido D-glucurônico e N-acetilglucosamina unidos por ligações alternadas (β1 3) e (β1 4). Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 7 LIPÍDIOS São substâncias orgânicas, de origem animal ou vegetal, insolúveis em água e solúveis em solventes não polares como clorofórmio, éter entre outros. FUNÇÕES • Armazenamento de energia (triacilglicerol); • Componentes das membranas celulares (fosfolipídios e esteróis); • Sinalizadores biológicos; • Desempenham papéis importantes como co-fatores enzimáticos, hormônios, transportadores de elétrons; • Isolantes térmicos; • Proteção mecânica. ÁCIDOS GRAXOS As gorduras e os óleos são derivados dos ácidos graxos que são ácidos carboxílicos com cadeias hidrocarbonadas de comprimento entre 4 a 36 carbonos. Em geral têm número parde carbonos, cadeia linear e podem ser saturados ou insaturados. Os principais ácidos graxos saturados de interesse são: ácido palmítico 16 C (16:0) ácido esteárico 18 C (18:0) Os principais ácidos graxos insaturados de interesse são: Nome comum Nº carbonos Insaturações Esqueleto carbônico ácido palmitoléico 16 C 1 (16:1) ácido oléico 18 C 1 (18:1) ácido linoléico 18 C 2 (18:2) ácido linolênico 18 C 3 (18:3) ácido araquidônico 20 C 4 (20:4) Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 8 Uma nomenclatura simplificada para esses compostos especifica o comprimento da cadeia e o número de duplas ligações, separados por dois pontos. Ex.: um ácido graxo de 16 carbonos saturado é designado como 16:0. As posições das duplas ligações são especificadas por números superescritos a seguir da letra grega ∆ (delta). Ex.: um ácido graxo com 20 carbonos e uma dupla ligação entre C-9 e C-10 e outra entre C-12 e C-13 é designado 20:2 (∆9,12). Para efeito de numeração da cadeia carbônica o carbono 1 será sempre o carbono carboxílico. A localização das duplas ligações nos ácidos graxos é regular; na maioria dos ácidos graxos monoinsaturados a dupla ligação está entre C-9 e C-10 (∆9), e as outras duplas ligações de ácidos graxos poliinsaturados são geralmente ∆12 e ∆15. LIPÍDIOS DE ARMAZENAMENTO TRIACILGLICERÓIS São ésteres formados por três moléculas de ácido graxo e um glicerol. Função: Fonte e reserva de energia Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 9 TIPOS DE TRIACILGLICERÓIS Gorduras - Misturas de triacilgliceróis com alto teor de ácidos graxos saturados. São sólidos à temperatura ambiente. Principalmente de origem animal. Óleos - Mistura de triacilgliceróis com alto teor de ácidos graxos insaturados. São líquidos à temperatura ambiente. Principalmente de origem vegetal. LIPÍDIOS DE MEMBRANA Os lipídios de membrana são ANFIPÁTICOS, isto é, possuem uma porção polar e outra apolar na mesma molécula. Existem três tipos gerais de lipídios de membrana os glicerofosfolipídios, os esfingolipídios e esteróis. 1- GLICEROFOSFOLIPÍDIOS São lipídios de membrana em que dois primeiros carbonos do glicerol estão esterificados com um ácido graxo cada e o terceiro carbono está ligado a um grupo altamente polar, geralmente o ácido fosfórico. São lipídios que contêm álcool (glicerol) + ácido graxo + ácido fosfórico + 2° álcool. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 10 2 - ESFINGOLIPÍDIOS São a segunda maior classe de lipídios de membrana. São compostos constituídos de uma molécula do aminoálcool de cadeia longa, a esfingosina, uma molécula de ácido graxo e um grupo polar. A ceramida é o precursor de todos os esfingolipídios. Os diferentes esfingolipídios se formam por ligação de diferentes grupos polares a estrutura da ceramida, de acordo com a qual podem ser classificados em três tipos: Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 11 2.1 - Esfingomielina Contém fosfocolina ou fosfoetanolamina como grupo polar. Estão presentes nas membranas plasmáticas de células animais e são especialmente importantes na bainha de mielina que envolve os neurônios. A presença do grupo fosfato permite classificá-las juntamente com os glicerofosfolipídios. 2.2 – Glicoesfingolipídios Contém um ou mais açúcares como grupo polar ligados diretamente a OH em C1 da ceramida, portanto não contém grupo fosfato. Dividem-se em cerebrosídeos e globosídeos. • Cerebrosídeos têm um único açúcar ligado à ceramida. Aqueles com galactose são caracteristicamente encontrados na membrana plasmática de células de tecidos neurais. Enquanto aqueles com glicose são caracteristicamente encontrados na membrana plasmática de células de tecidos não neurais. • Globosídeos têm dois ou mais açúcares ligados à ceramida. 2.3 – Gangliosídeos São os esfingolipídios mais complexos contendo oligossacarídeos como seu grupo polar. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 12 3 - ESTERÓIS São lipídios estruturais e estão presentes nas membranas da maioria das células eucarióticas. Sua estrutura característica é o núcleo esteróide consistindo de quatro anéis fundidos, três com seis átomos de carbono e um com cinco. Colesterol é o mais importante esterol dos tecidos animais. Esteróis semelhantes são encontrados em outros eucariotos como nas plantas (estigmaesterol) e nos fungos (ergosterol). Além de seus papéis como constituintes de membrana, os esteróis servem como precursores de hormônios sexuais, da vitamina D, ácidos biliares. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 13 Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 14 AMINOÁCIDOS E PEPTÍDEOS Aminoácidos (aa) São moléculas que normalmente apresentam um grupamento carboxílico (COOH), um grupamento amínico (NH2) e um grupamento R ligados a um mesmo átomo de carbono (carbono α) de acordo com a seguinte fórmula geral: Os aa diferem entre si por suas cadeias laterais ou grupos R, os quais variam em estrutura, tamanho e carga elétrica e influenciam a solubilidade do aa em água. �Os aa são constituintes dos peptídeos e proteínas. �Todas as proteínas são construídas com o mesmo conjunto de 20 aminoácidos (aa), ligados por ligações covalentes em sequências lineares. Destes 20 aa, 8 são considerados indispensáveis (essenciais): triptofano, fenilalanina, lisina, valina, leucina, isoleucina, metionina e treonina. CLASSIFICAÇÃO DOS AMINOÁCIDOS � Classificados de acordo com 2 critérios: - natureza polar ou apolar da cadeia lateral (polaridade); - presença de um grupo ácido ou básico na cadeia lateral. 1. GRUPO R NÃO-POLAR E ALIFÁTICO: glicina, alanina, prolina, valina, leucina, isoleucina, metionina. α Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 15 2. GRUPO R AROMÁTICO: fenilalanina, tirosina e triptofano. 3. GRUPO R POLAR E NÃO CARREGADO: serina, treonina, cisteína, asparagina, glutamina. 4. GRUPO R CARREGADO NEGATIVAMENTE (AA ÁCIDOS): aspartato e glutamato. 5. GRUPO R CARREGADO POSITIVAMENTE (AA BÁSICOS): lisina, arginina e histidina. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 16 Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 17 Peptídeos • Polímeros de aminoácidos • Substâncias formadas pela união de aminoácidos através de grupos – COOH e –NH2. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 18 FORMAÇÃO DA LIGAÇÃO PEPTÍDICA Tripeptídeo/Tetrapeptídeo/Oligopeptídeo/Polipeptídeo Resíduo de aa presente na extremidade do peptídeo que exibe um grupo α-amino é o resíduo aminoterminal (N-terminal). O resíduo na outra extremidade, que exibe o grupo carboxila livre é o carboxiterminal (C-terminal). IMPORTÂNCIA Alguns oligopeptídeos que ocorrem na natureza apresentam atividades biológicas importantes, e seus efeitos ocorrem mesmo em concentrações pequenas. Exemplos: Aspartame- adoçante Oxitocina- hormônio que estimula as contrações uterinas. Insulina- regula o metabolismo da glicose Glucagon- regula o metabolismo da glicose. Tem efeito antagônico à insulina. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 19 PROTEÍNAS São macromoléculas compostas de uma ou mais cadeias polipeptídicas, em que cada cadeia possui uma sequência característica de aminoácidos unidos por ligações peptídicas. NAS CÉLULAS: *macromoléculas mais abundantes; *milhares de tiposdiferentes; *informações genéticas são expressas como proteínas; PROPRIEDADES DAS PROTEÍNAS 1. Funções Biológicas: Classe Funcional Exemplos Enzimas Ribonuclease Tripsina Fosfofrutoquinase Catalase Transportadoras Hemoglobina Albumina sérica Armazenamento Caseína do leite Ovalbumina Contráteis Actina Miosina Estruturais Colágeno Elastina Alfa-queratinas Proteção Imunoglobulinas CLASSIFICAÇÃO DAS PROTEÍNAS • De acordo com a natureza dos constituintes: a- SIMPLES: apenas aminoácidos b- CONJUGADAS: formadas por aa e uma parte não protéica (grupo prostético). Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 20 Grupo Prostético: íon metálico ou componente orgânico que não aminoácido (coenzima), que se liga covalentemente à proteína e é essencial para sua atividade. Tabela: Proteínas conjugadas Classe Grupo prostético Exemplo Lipoproteínas Lipídios HDL Glicoproteínas Carboidratos Imunoglobulina G Fosfoproteínas Grupo fosfato Caseína do leite Heme-proteínas Heme Hemoglobina Metaloproteínas Ferro Ferritina • De acordo com a estrutura: a- FIBROSAS: estruturas alongadas, com função protetora, de sustentação, contração e distensão. Ex: colágeno, miosina, queratina, fibroína. b- GLOBULARES: estruturas enoveladas, com funções metabólicas como enzimática, hormonal, defesa, transporte. Ex: albumina (transporte, reserva), globulinas (defesa imunológica). ENZIMAS * Enzimas são proteínas, exceto alguns RNAs, que apresentam atividade catalítica. São catalisadores de natureza protéica, que atuam favorecendo a realização de reações biológicas. * São compostos facilmente destruídos pelo calor (temperatura acima de 70ºC), por agitação intensa, por ondas ultravioleta e ultra-sonoras, por substâncias como o cianeto de sódio, o fluoreto de sódio, traços de metais pesados, ácidos ou bases, etc. * Aceleram reações específicas e, geralmente, atuam em condições “suaves” de temperatura e pH. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 21 * Praticamente todas as reações que caracterizam o metabolismo celular são catalisadas por enzimas. * Como catalisadores celulares extremamente poderosos, as enzimas aceleram a velocidade de uma reação, sem, no entanto participar dela como reagente ou produto. * As enzimas atuam ainda como reguladoras deste conjunto complexo de reações. * As enzimas são, portanto, consideradas as unidades funcionais do metabolismo celular. CATÁLISE ENZIMÁTICA As enzimas são catalisadores biológicos extremamente eficientes. Aceleram em média 109 a 1012 vezes a velocidade da reação, transformando de 100 a 1000 moléculas de substrato em produto por minuto de reação. • Atuam em concentrações muito baixas. • Atuam em condições suaves de temperatura e pH. • Possuem todas as características das proteínas. • Podem ter sua atividade regulada. • Estão quase sempre dentro da célula, e compartimentalizadas. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 22 PARTE 2 METABOLISMO Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 23 METABOLISMO- UMA VISÃO GERAL O metabolismo é uma atividade celular altamente coordenada na qual diversos sistemas multienzimáticos atuam conjuntamente visando a quatro funções: 1. Obter energia química; 2. Degradar os nutrientes; 3.Síntese de macromoléculas tais como proteínas, polissacarídeos, ácidos nucléicos; 4. Sintetizar e degradar biomoléculas como os lipídios de membrana. O metabolismo é o somatório de todas as transformações químicas que ocorrem em uma determinada célula ou organismo. Divisão do metabolismo: Catabolismo é a fase degradativa do metabolismo na qual moléculas nutrientes orgânicas (carboidratos, gorduras e proteínas) são convertidas em produtos finais menores e mais simples (ácido lático, CO2, NH3). As vias catabólicas liberam energia (ATP e transportadores de elétrons reduzidos). Anabolismo é a fase de biossíntese na qual moléculas precursoras pequenas e simples são ligadas formando moléculas maiores e mais complexas (lipídios, carboidratos, proteínas e ácidos nucléicos). As reações anabólicas requerem um fornecimento de energia para ocorrerem (ATP e transportadores de elétrons reduzidos). Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 24 As formas de energia utilizáveis geradas no catabolismo são utilizadas no anabolismo para gerar substâncias complexas a partir das mais simples. ESTÁGIOS NA EXTRAÇÃO DE ENERGIA DE ALIMENTOS Estágio I as macromoléculas são quebradas em moléculas menores. Nenhuma energia utilizável é produzida. Estágio II Várias moléculas pequenas são degradadas a moléculas mais simples que desempenham papel central no metabolismo. A maioria delas é transformada em acetil CoA. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 25 Estágio III Produção de ATP em maior quantidade comparada aos estágios anteriores. Este estágio engloba o ciclo do ácido cítrico e a fosforilação oxidativa que são os estágios finais de degradação das macromoléculas. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 26 FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA A Fosforilação oxidativa é o estágio final do metabolismo produtor de energia nos organismos aeróbicos. Todas as etapas oxidativas na degradação dos carboidratos, lipídios e aminoácidos convergem para esse estágio final do metabolismo, no qual a energia proveniente da oxidação é responsável pela síntese do ATP. Nos eucariotos a fosforilação oxidativa ocorre nas mitocôndrias e envolve a redução do O2 a H2O com elétrons doados pelo NADH e FADH2. Estas duas moléculas são coenzimas reduzidas formadas durante o metabolismo. A fosforilação oxidativa começa com a entrada de elétrons na cadeia respiratória. Os componentes da cadeia respiratória estão localizados na membrana mitocondrial interna como cinco complexos enzimáticos separados I, II, III, IV e V. Os complexos I a IV fazem parte do transporte de elétrons enquanto o complexo V é responsável pela síntese de ATP. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 27 A HIPÓTESE QUIMIOSMÓTICA Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 28 METABOLISMO DOS CARBOIDRATOS Os carboidratos provenientes da dieta são digeridos no trato gastrointestinal a simples monossacarídeos, os quais são absorvidos pela membrana epitelial da vilosidade intestinal e são lançados no sangue portal. As glândulas salivares e o pâncreas são responsáveis pela digestão dos carboidratos, sendo os polímeros transformados em dextrinas e dissacarídeos e depois a monossacarídeos. O amido gera glicose diretamente, enquanto a frutose (derivada da sacarose) e a galactose (derivada da lactose) são absorvidas e convertidas a glicose no fígado. A glicose no fígado é metabolizada ou armazenada como glicogênio. O fígado também libera glicose para a circulação sistêmica, tornando-a disponível a todas as células do organismo. A glicose é o carboidrato de ocorrência mais frequente no organismo e é a fonte primária de energia do corpo humano. A captação de glicose pelas células é feita pelo hormônio insulina. O efeito biológico da insulina é promover a captação e armazenamento de glicose. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 29 A insulina atua através de um receptor localizado na membrana celular, e seus principais alvos são o fígado, músculo e tecido adiposo. A insulina é o principal hormônio que regula os níveis de glicose no sangue, atuando como um agente hipoglicemiante, sendo a compreensãode sua ação um importante requisito para o estudo do diabetes mellitus. Nos vegetais superiores e nos animais, a glicose tem três destinos principais: GLICÓLISE É a degradação de uma molécula de glicose, por uma série de reações catalisadas enzimaticamente, para liberar duas moléculas de piruvato. Durante as reações da glicólise parte da energia liberada da glicose é conservada na forma de ATP e NADH. Ocorre no citoplasma das células. Glicose Glicogênio, amido armazenamento Ribose-5-fosfato Piruvato Oxidação pela via das Pentoses fosfato Oxidação pela via glicolítica Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 30 Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 31 DESTINOS DO PIRUVATO O piruvato pode tomar três rotas metabólicas. 1. Em condições anaeróbicas é reduzido a lactato através da via chamada de fermentação do ácido láctico. 2. Em alguns vegetais e microrganismos é convertido anaerobicamente em etanol em um processo chamado fermentação alcoólica. 3. Em condições aeróbicas é oxidado para formar a acetil CoA que é totalmente oxidada pelo ciclo de Krebs. Fermentação Láctica Quando o tecido não pode ser suprido com oxigênio suficiente para suportar a oxidação aeróbica do NADH, o NAD+ é regenerado a partir do NADH pela redução do Piruvato a lactato. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 32 - processo utilizado por microrganismos e células de mamíferos (hemácias, fibras musculares sob contração vigorosa). - Oxigênio trazido pela circulação torna-se insuficiente para promover oxidação da grande quantidade de NADH resultante do trabalho muscular, e a célula muscular fica submetida a uma anaerobiose relativa. Esta reação é catalisada pela enzima lactato desidrogenase. Fermentação alcoólica Fermentação da glicose em etanol e CO2 que ocorre em alguns microrganismos e vegetais. Nesse processo o NADH é regenerado durante a formação do etanol. Conversão do Piruvato a Acetil CoA Em condições aeróbicas o Piruvato é oxidado a Acetil CoA a qual entra no ciclo de Krebs. Esse processo conecta a glicólise ao ciclo de Krebs. Ocorre na mitocôndria. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 33 Via das Pentoses Fosfato É uma via alternativa de degradação de glicose que ocorre principalmente no fígado, nas glândulas mamárias, no tecido adiposo e no córtex adrenal. A via das pentoses fosfato produz NADPH e ribose-5-fosfato. Importância do ciclo: • Produção de NADPH que é empregado como agente redutor nas vias de síntese de ácidos graxos, colesterol, bases nitrogenadas e é usado na manutenção da integridade das hemácias. • Produção de ribose-5-fosfato que é empregada na síntese dos ácidos nucléicos. METABOLISMO DO GLICOGÊNIO Glicogenólise É a degradação do glicogênio. As unidades externas de glicose da molécula de glicogênio são liberadas para entrar na via glicolítica por ação sequencial de duas enzimas: a fosforilase do glicogênio e a fosfoglicomutase. A glicogenólise ocorre normalmente no jejum ou no exercício muscular intenso e leva ao aumento dos níveis de glicose no sangue. Glicogênese É a síntese de glicogênio a partir de glicose-6-fosfato. Ocorre quando a taxa de glicose sanguínea está elevada. Ocorre principalmente no fígado e no músculo esquelético. No fígado, o glicogênio funciona como um reservatório de glicose fácil de ser convertido em glicose livre no sangue para ser distribuída para outros tecidos. No músculo o glicogênio é quebrado liberando glicose (glicogenólise) que gera ATP na glicólise para ser utilizado pelo próprio músculo quando faz contração. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 34 Neoglicogênese É a formação de glicose a partir de precursores não carboidratos. Os precursores mais importantes são: o lactato, o piruvato, o glicerol, e a maioria dos aminoácidos. Ocorre principalmente no fígado. Isso ocorre, pois a biossíntese da glicose é uma necessidade absoluta nos mamíferos, porque o cérebro e o restante do sistema nervoso, bem como a medula renal, os testículos, os eritrócitos e os tecidos embrionários, necessitam da glicose fornecida por meio do sangue como sua principal, ou mesmo única, fonte de energia. Ocorre principalmente no jejum prolongado. Ocorre durante o exercício muscular. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 35 CICLO DE KREBS • Ciclo do Ácido Cítrico • Ciclo do Citrato • Ciclo dos Ácidos Tricarboxílicos Características do Ciclo de Krebs • É um ciclo metabólico, pois o oxaloacetato, que inicia a via metabólica, sofre transformações e é regenerado no final do ciclo. • O ciclo de Krebs ocorre em aerobiose. • O sistema enzimático do ciclo está localizado nas mitocôndrias. • É fundo comum no metabolismo dos carboidratos, lipídios e proteínas. • O Ciclo de Krebs tem a característica de uma via anfibólica, isto é, degrada a acetil-CoA em dióxido de carbono e água (catabolismo), mas alguns de seus intermediários são utilizados para a síntese de outros compostos (anabolismo). Funções do Ciclo de Krebs • Oxidar a acetil-CoA em CO2 e H2O. • Como consequência desta oxidação, o Ciclo de Krebs é o maior fornecedor de elétrons (NADH e FADH2) para a Cadeia Respiratória e, sendo assim, é um grande gerador de energia (ATP). • Alguns de seus intermediários são precursores de compostos bioquimicamente importantes. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 36 Sequência de reações Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 37 METABOLISMO DOS LIPÍDIOS A oxidação dos ácidos graxos de cadeia longa em acetil-CoA é uma via central liberadora de energia nos animais. Durante a oxidação formam-se NADH e FADH2 que passam seus elétrons através da cadeia respiratória levando a produção de ATP. O produto acetil-CoA pode ser completamente oxidado até CO2 no ciclo do Krebs resultando na produção de mais energia. As células podem obter ácidos graxos combustíveis de três fontes: • Gorduras ingeridas na alimentação; • Gorduras armazenadas nas células; • Gorduras sintetizadas em um órgão para serem exportadas para outro. Gorduras da dieta Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 38 Gorduras armazenadas Cerca de 95% da energia fornecida pelos triacilgliceróis se deve aos seus três ácidos graxos, apenas 5% é gerada pelo glicerol. Os triglicerídios armazenados no tecido adiposo são mobilizados após sinal hormonal da epinefrina e glucagon => LIPÓLISE. Hormônios ativam uma lipase hormônio-sensível intracelular dos adipócitos = liberação de ácidos graxos e GLICEROL. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 39 Ativação dos ácidos graxos e transporte para o interior das mitocôndrias As enzimas da oxidação dos ácidos graxos estão localizadas na matriz mitocondrial. Os ácidos graxos livres não podem passar diretamente para o interior das mitocôndrias através das membranas. Para isso precisam ser ativados e se ligar a carnitina formando um éster acil-carnitina que cruza a membrana interna da mitocôndria. O processo de entrada mediado pela carnitina é o passo limitante da velocidade de oxidação dos ácidos graxos. ββββ-Oxidação É o primeiro estágio da oxidação mitocondrial dos ácidos graxos (segundo estágio: ciclo de Krebs; e terceiro estágio: cadeia respiratória). Na β-oxidação os ácidos graxos sofrem remoção de sucessivas unidades de dois átomos de carbono na forma de acetil-CoA, começando pela extremidade carboxila da cadeia.E a cada par de carbonos retirados da cadeia para formar acetil forma-se NADH e FADH2. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 40 Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 41 Corpos cetônicos Durante a oxidação dos ácidos graxos no fígado o acetil-CoA formado pode entrar no ciclo de Krebs ou pode ser convertido nos chamados corpos cetônicos que são: acetona, acetoacetato e β-hidroxibutirato. Essas moléculas são exportados para outros tecidos através do sangue como: músculo esquelético, coração e rins. Em condições de jejum prolongado o cérebro pode usar esses compostos para obtenção de energia. A produção e a exportação dos corpos cetônicos permitem que a oxidação dos ácidos graxos seja continuada mesmo que a acetil-CoA não possa ser oxidado pelo ciclo de Krebs. Isso acontece nos estados de inanição e no diabetes mellitus. Nestes dois casos a deficiência de glicose na célula estimula a degradação dos ácidos graxos resultando na produção de acetil-CoA. Ao mesmo tempo há uma aceleração da neoglicogênese que retira intermediários do ciclo de Krebs para síntese de glicose. Com isso o excesso de acetil-CoA produzido na oxidação dos ácidos graxos não pode entrar no ciclo de Krebs e dessa forma se converte em corpos cetônicos. O aumento desses compostos, que são ácidos, no sangue reduz o pH sangüíneo resultando numa condição conhecida como acidose metabólica (cetose). Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 42 LIPOPROTEÍNAS São responsáveis pelo transporte dos lípidios no plasma e são compostas por lípides e proteínas, as chamadas apolipoproteínas → APO. As lipoproteínas são partículas esféricas com um núcleo central de lipídios apolares – ésteres de colesterol e triglicérides - circundado por uma monocamada de lipídios anfipáticos – fosfolipídios e colesterol - à qual estão associadas moléculas de proteínas. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 43 Classes de lipoproteínas: Quilomícrons: Maiores e menos densas ricas em triglicérides (origem exógena). Formados no intestino. VLDL: Lipoproteína de densidade muito baixa rica em triglicérides de origem endógena. Origem hepática. IDL: Lipoproteína de densidade intermediária sendo precursora da LDL. Origina do catabolismo da VLDL pela ação da lipase lipoprotéica. LDL: Lipoproteínas de densidade baixa sendo ricas em colesterol. Origina- se do catabolismo da VLDL via IDL e são responsáveis elo transporte de colesterol no plasma até os tecidos. HDL: Lipoproteínas de densidade alta ricas em colesterol. Origina-se no fígado, intestino e durante o catabolismo dos quilomícrons e da VLDL. São responsáveis pelo transporte reverso do colesterol do tecido para o fígado. A densidade a lipoproteína está relacionada com seu conteúdo de proteínas e de triglicérides sendo as de menores densidades associadas com elevado conteúdo de triglicérides e baixo teor de proteínas. Via exógena de transporte de lipídeos no sangue Via endógena de transporte de lipídeos no sangue LPL (lipoproteína lipase): enzima presente nos superfície do endotélio Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 44 LIPIDIOS E ATEROSCLEROSE A aterosclerose é uma doença inflamatória crônica de origem multifatorial que ocorre em resposta à agressão endotelial, acometendo principalmente a camada íntima de artérias de médio e grande calibre. O desenvolvimento da aterosclerose apresenta progressão lenta, iniciando-se na infância com a formação de ateromas (depósitos de lipídios na camada íntima das artérias), situação que leva ao estreitamento da luz dos vasos sanguíneos ocasionando a restrição do fluxo sanguíneo normal, podendo surgir as seguintes manifestações clínicas: infarto do miocárdio, acidente vascular cerebral e doença vascular periférica. BIOPATOLOGIA DA ATEROSCLEROSE - A aterosclerose é uma resposta inflamatória frente à lesão presente na parede da artéria: - Envolve os seguintes processos: 1. Lesão do revestimento endotelial (HAS) 2. Entrada de monócitos e agregação de plaquetas. 3. Acúmulo de lipídeos (LDL-C) para o espaço subendotelial. 4. Oxidação dos lipídeos. 5. Fagocitose das moléculas de LDL-C oxidadas por macrófagos (células espumosas). 6. Macrófagos são ativados e iniciam um processo inflamatório local. 7. Há destruição local: enzimas destroem musculatura e tecido conjuntivo (metaloproteases) 8. Ocorre estímulo dos fibroblastos e células musculares lisas, que fornecem colágeno. 9. Inicia-se um processo de calcificação local. 10. Macrófagos acumulam excesso de LDL-C e morrem, liberando colesterol e lipídios, reiniciando o processo. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 45 LDL-C X HDL-C - As moléculas de LDL-C são as maiores responsáveis pela aterosclerose pois: • Atravessam mais facilmente a barreira endotelial das artérias. • São mais facilmente oxidadas. • São mais reconhecidas pelos fagócitos (macrófagos e monócitos) - A cada 1% de aumento do LDL-C aumenta a taxa de eventos coronarianos em 2%. - As moléculas de HDL-C apresentam efeitos antiateroscleróticos pois : • Melhoram a função endotelial (maior relaxamento e inibição da agregação plaquetária) • Reduzem a oxidação das partículas LDL-C • Reduzem a lesão celular pela LDL-C oxidada (efeitos antiinflamatórios) • Transportam o colesterol das partículas LDL-C e VLDL para o fígado. - A cada 1mg/dL de aumento do HDL-C diminui o risco de aterosclerose em 2-3%. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 46 METABOLISMO DO NITROGÊNIO OXIDAÇÃO DOS AMINOÁCIDOS Nos animais, os aminoácidos podem sofrer degradação oxidativa em três circunstâncias metabólicas diferentes: a) Durante a síntese e a degradação normais das proteínas celulares, alguns dos aminoácidos liberados, durante a quebra das proteínas, sofrerão degradação oxidativa, caso não sejam necessários para a síntese de novas proteínas. b) Quando, devido a uma dieta rica em proteínas, os aminoácidos são ingeridos em excesso, com relação às necessidades corporais de biossíntese de proteínas, o excedente é catabolizado, já que os aminoácidos livres não podem ser armazenados. c) Durante o jejum severo ou diabetes mellitus, quando os carboidratos estão inacessíveis ou não são utilizados adequadamente, as proteínas corporais serão hidrolisadas e seus aminoácidos empregados como combustível. Em todas essas circunstâncias metabólicas, os aminoácidos perdem seus grupos amino e os α-cetoácidos assim formados podem sofrer oxidação até CO2 e H2O. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 47 Digestão das proteínas Ocorre no trato gastrointestinal. Mucosa gástrica gastrina HCl (células parietais) e pepsinogênio (células principais). Pepsinogênio (zimogênio) HCl Pepsina (hidrólise das ligações peptídicas) Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 48 A digestão continua no intestino delgado. A entrada de aminoácidos na parte superior do intestino libera o hormônio colecistoquinina que estimula a secreção de várias enzimas, a saber: Tripsinogênio, quimotripsinogênio e procarboxipeptidase, zimogênios da tripsina, quimotripsina e carboxipeptidase e secretados pelo pâncreas. Tripsinogênio enteropeptidase Tripsina Quimotripsinogênio tripsina Quimotripsina Procarboxipeptidadse tripsina Carboxipeptidase O intestino delgado também secreta umaaminopeptidase. Pela ação sequencial dessas enzimas proteolíticas e peptidases, as proteínas ingeridas são hidrolisadas até uma mistura de aminoácidos livres, que podem então ser transportados por meio das células epiteliais que, por sua vez recobrem internamente o intestino delgado. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 49 Transaminação Quando os aminoácidos chegam ao fígado, o primeiro passo no seu catabolismo é a remoção dos grupos α-amino promovida por enzimas chamadas aminotransferases ou transaminases. Essas enzimas fazem a transferência dos grupos amino de um aminoácido para o α- cetoglutarato formando glutamato e o α-cetoácido correspondente. O glutamato conduz os grupos amino para ser utilizados por vias biossintéticas ou, então, para uma sequência final de reações pelas quais são formados produtos nitrogenados degradados que, a seguir, são excretados. Prof. M.Sc. Marcelo Santos de Oliveira 50 EXCREÇÃO DO NITROGÊNIO Quando não são empregados para a síntese de novos aminoácidos ou de outros compostos nitrogenados, os grupos amino são destinados à formação de produto final para ser excretado. Os animais aquáticos excretam o nitrogênio do grupo amino como amônia e são chamados amoniotélicos. Os pássaros e os répteis excretam o nitrogênio amino como ácido úrico e são chamados uricotélicos. Os animais terrestres na maioria excretam o nitrogênio do grupo amino na forma de uréia são chamados ureotélicos. Nos animais ureotélicos, a amônia é convertida em uréia no fígado por meio do ciclo da uréia. Dos hepatócitos, a uréia passa para o sangue, que a transporta até os rins, onde é excretada na urina.
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