Bioquimica Metabolismo

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BIOQUÍMICA
 Manaus/Am
Bioquímica e Metabolismo
A Bioquímica é o ramo da química que se preocupa com as transformações moleculares dos constituintes celulares. Ao conjunto dessas transformações denominamos “Metabolismo”. Dependendo da organização estrutural atingida pelas moléculas, o metabolismo pode ser dirigido no sentido de síntese (anabolismo) ou de degradação (catabolismo). Durante o metabolismo degradativo, moléculas estruturalmente complexas são demolidas em entidades mais simples, ao passo que a fase anabólica se caracteriza pela formação de estruturas moleculares mais complicadas a partir dessas entidades mais simples. O anabolismo e o catabolismo ocorrem concomitantemente numa célula viva.
 CONCEITOS BÁSICOS
- Metabolismo é o conjunto de reações químicas que ocorrem nas células e que lhe permitem manter-se viva, crescer e dividir-se. O metabolismo divide-se classicamente em: 
• Catabolismo - obtenção de energia e poder redutor a partir de macromoléculas como proteínas, triacilglicerídios. (Figura 1.1)
• Anabolismo - produção de novos componentes celulares, em processos que geralmente utilizam a energia e o poder redutor a partir de moléculas menores como aminoácidos.Figura 1: Catabolismo
Fonte: BRUICE, P. Y. Química Orgânica. 4ª. Ed., Vol. 2. Pearson Prentice Hall, 2006, cap. 25, pg. 449
 
- Bioquímica Metabólica - Trata do anabolismo e catabolismo: degradação de aminoácidos e do ciclo da uréia, metabolismo dos ácidos graxos, glicólise, ciclo de Krebs, síntese e degradação do glicogênio, via das pentoses-fosfato e vias metabólicas. Existe uma grande variedade de vias metabólicas. Em humanos, as vias metabólicas mais importantes são: 
- Glicólise - oxidação da glicose a fim de obter ATP.
 - Ciclo de Krebs - oxidação do acetil-CoA a fim de obter energia. 
- Fosforilação oxidativa - eliminação dos elétrons libertados na oxidação da glicose e do acetil-CoA. Grande parte da energia libertada neste processo pode ser armazenada na célula sob a forma de ATP. 
- Via das pentoses-fosfato - síntese de pentoses e obtenção de poder redutor para reações anabólicas.
 - Ciclo da eliminação de NH4 + sob formas menos tóxicas.
- β-oxidação dos ácidos graxos - transformação de ácidos graxos em acetil-CoA, para posterior utilização pelo ciclo de Krebs. 
- Neoglicogênese - síntese de glicose a partir de moléculas não glicolíticas, para posterior utilização pelos órgãos glicodependentes, como o cérebro, miocárdio e glóbulos vermelhos.
Carboidratos
 Os carboidratos possuem um monômero centralisador que é a glicose. Da glicose os carboidratos podem ser estocados na forma de glicogênio nos animais, ou na forma de amido ou sacarose nas plantas. Quando o corpo necessita de energia é acionada a via glicolítica, onde a glicose é convertida a piruvato. Por fim, partindo da glicose sintetizamos as pentoses necessárias na síntese de ácidos nucleicos, pela via das pentoses (Figura 2). Mais tarde veremos que todos os demais carboidratos devem ser convertidos à glicose ou um dos intermediários da glicólise para que possam ser metabolisados.
Figura 2 : Destino da Glicose
Fonte: NELSON, D. L., COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5ª. Ed. Artmed, Porto Alegre – RS, 2011. Pg. 527.
GLICÓLISE
 A glicólise é o catabolismo da glicose. Nela a molécula de 6 carbonos da glicose é convertida em duas moléculas de 3 carbonos de piruvato, gerando energia na forma de ATP e NADH durante o processo. A glicólise pode ser dividida em duas etapas de 5 reações cada. A primeira etapa é denominada de fase preparatória, e nesta estapa ATP é consumido para ativar a molécula de glicose e convertê-la em gliceraldeído-3-fosfato (Figura 3). Na etapa seguinte, denominada de fase de compensação, o gliceraldeído3-fosfato é convertido em piruvato, e energia é armazenada na forma de ATP e NADH (Figura 3).
 Figura 3: Passos e etapas da glicólise. As reações 1, 3 e 8 são irreversíveis.
 A glicoquinase é específica da glicose e atua somente no fígado ou pâncreas, e a hexoquinase pode atuar sobre a glicose, frutose ou manose somente no músculo. Todas as enzimas da via glicolítica, ∆G das reações e gasto ou produção de energia.
 É importante salientar que NADH + H+ citosólico, produzido na via glicolítica, dependendo do órgão, pode ser transportado para mitocôndria no processo aeróbico através de duas formas: entrando como o próprio NADH ou como FAH2. Se transportado para mitocôndria em forma de NADH+ H+ , conta-se como 2,5 ATPs. Se for transportado para mitocôndria na forma de FADH2, conta-se somente 1,5 ATPs como veremos adiante.
 Na via glicolítica (citosol), a molécula de glicose (6 carbonos) é convertida em duas moléculas de piruvato de 3 carbonos como visto nas reações da Figura 4.
Figura 4: Reação Glicolítica
Na quinta reação da glicólise, e última da fase preparatória, a diidroxiacetona-fosfato é isomerizada à gliceraldeído-3-fosfato (Figura 12), num mecanismo análogo ao da isomerização da glicose-6-fosfato à frutose-6-fosfato (Figura 8). A diferença é o número menor de etapas pois a estrutura já se encontra aberta, não havendo a necessidade de quebra da ligação hemiacetal e nem da formação da ligação hemicetal.
Figura 5: Isomerização da diidroxiacetona
Fonte: NELSON, D. L., COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5ª. Ed. Artmed, Porto Alegre – RS, 2011. Pg. 535
Na sexta reação da glicólise entramos na fase compensação. Até o momento gastamos duas moléculas de ATP para converter a glicose em duas moléculas de gliceraldeído-3-fosfato. Agora chegou a hora de vermos nosso investimento dar retorno. A enzima gliceraldeído-3-fosfato-desidrogenase utiliza o NAD+ para oxidar o gliceraldeído-3-fosfato e incorporar em sua molécula um fosfato inorgânico, gerando o 1,3-bifosfoglicerato (Figura 13). Inicialmente o grupo aldeído sofre um ataque nucleofílico do grupo tiol (-SH) de um resíduo de Cys, formando um tio-hemiacetal e se ligando a enzima. Em seguida o NAD+ captura o hidrogênio do C-1, enquanto um resíduo básico captura o hidrogênio da hidroxila, convertendo o tiohemiacetal em tio-éster e liberando uma molécula de NADH. A carbonila então sofre ataque nucleofílico do fosfato inorgânico, numa substituição acílica nucleofílica, gerando o 1,3-bifosfoglicerato e regenerando a enzima.
Figura 6: Mecanismo da oxidação do gliceraldeído-3-fosfato
Fonte: NELSON, D. L., COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5ª. Ed. Artmed, Porto
	
Na sétima etapa da glicólise, o grupo fosforil do 1,3-bifosfoglicerato é transferido para uma molécula de ADP pela enzima fosfoglicerato-quinase, formando ATP e 3-fosfoglicerato (Figura 15). O mecanismo é análogo em todas as fosforilações, mas dessa vez o sentido energeticamente favorável é a transferência do fosfato para o ADP.
Figura 7: Transferência do grupo fosfato do 1,3-bifosfoglicerato para o ADP.
Fonte: NELSON, D. L., COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5ª. Ed. Artmed, Porto Alegre – RS, 2011. Pg. 536.
Na oitava etapa da glicólise a enzima fosfoglicerato-mutase catalisa a isomerização do 3-fosfoglicerato em 2-fosfoglicerato. Inicialmente o grupo fosforil é transferido da His para a hidroxila em C-2 do 3-fosfoglicerato, formando assim o 2,3-bifosfoglicerato. O grupo fosforil é então transferido do C-3 para o mesmo resíduo de His produzindo o 2-fosfoglicerato e regenerando a enzima. O Mg2+ exerce papel fundamental nesta reação, neutralizando as cargas negativas dos fosfatos.
Figura 8: Mecanismo da isomerização do 3-fosfoglicerato. 
Fonte: NELSON, D. L., COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5ª. Ed. Artmed,
Na nona etapa da glicólise a enzima enolase desidrata o 2-fosfoglicerato, formando o fosfoenolpiruvato . Um resíduo de Lys captura o H ligado ao C-2, sendo que o enol é estabilizado por dois íons Mg2+. Em seguida o Glu facilita a saída da água por uma catálise ácida, formando o fosfoenolpiruvato.
Figura9: Mecanismo da desidratação do 2-fosfoglicerato. 
Fonte: NELSON, D. L., COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5ª. Ed. Artmed, Porto Alegre – RS, 2011. Pg. 213.
 Na décima e última etapa da glicólise o fosfoenolpiruvato transfere seu fosfato para o ADP, gerando o enol do piruvato que tautomeriza para piruvato, e uma molécula de ATP.
Figura 10: Transferência do fosfato do fosfoenolpiruvato para o ADP.
Fonte: NELSON, D. L., COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5ª. Ed. Artmed, Porto Alegre – RS, 2011. Pg. 538
Balanço final da Glicólise: 
Glicose + 2ATP + 2NAD+ + 4ADP + 2Pi 2Piruvato + 2ADP + 2NADH + 2H+ + 4ATP + 2H2
 O Balanço já simplificando:
 Glicose + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2Piruvato + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O
 Como podemos notar, há um ganho energético na glicólise de 2ATP. Além disso, os elétrons conservados na forma de NADH serão utilizados na fosforilação oxidativa para a converção de ADP em ATP. A via glicolítica centraliza o metabolismo de carboidratos, já que a glicose é de longe o carboidrato mais abundante. Os outros carboidratos então precisam se moldar para se encaixar.
O Piruvato, se houver oxigênio disponível, entrará numa mitocôndria através de uma proteína transportadora especial (caso não houvesse oxigênio o acido pirúvico seria reduzido em uma molécula de ácido lático). Antes do Ciclo de Krebs acontecer, o ácido Pirúvico tem que se preparar pra entrar nele, onde sofrerá uma oxidação liberando CO2(reação de descarboxilação) e NADH. Já que são 2 ácidos pirúvicos, serão 2CO2 e 2NADH. Esse CO2 vai ser liberado para os pulmões e se transformará em um composto chamado grupo Acetil, que por sua vez se ligará a uma coenzimaa chamada de coenzima A, formando a substância Acetil-coa. É possível perceber que Acetil-coa é uma molécula que usa a Glicólise, que ocorre no citosol da célula, com o Ciclo de Krebs, que ocorre na matriz mitocondrial. Agora o Acetil-coa agora está pronto para entrar no Ciclo.
No Ciclo de Ácido Cítrico ocorrerá a oxidação total da glicose (onde todos os elétrons e os hidrogênios possíveis de serem liberados já estão com seus carreadores que são os NADs e os FADs. A energia está com os NADS nos elétrons e tudo isso irá para a parte final do processo – cadeia respiratória). Agora será liberado todos os elétrons possíveis e todos os Carbonos possíveis, dessa forma parte da reação inicial (C6H12O6 + 6CO2  à  6CO2 + 6H2O) estará terminada. Nessa etapa é liberado 4CO2, 6NADH, 2FADH2 e 2ATP.
É possível perceber que a Glicólise e o Ciclo de Krebs produzem pouco ATP, apenas 2 cada um, porém produzem a substância que carrega a energia; o NADH. O qual por fim irá carregar esses hidrogênios e esses elétrons para a parte final da respiração.
Figura 11: Ciclo de Krebs
Fonte: Princípios de Bioquímica de Lehninger - David L. Nelson & Michael – 5 Ed.
Na Cadeia Respiratória haverá a conversão da energia em ATP. Esse processo ocorre na membrana interna da mitocôndria. O NADH com seus elétrons são entregues na cadeia e passam do nível mais alto de energia para o mais baixo. Essa energia “perdida” é utilizada para formar o ATP. Ao chegar no nível menor se combinam com o oxigênio e hidrogênio e formam uma molécula de água.
Figura 12: Cadeia Respiratória
Fonte: Princípios de Bioquímica de Lehninger - David L. Nelson & Michael – 5 Ed.
O saldo final: Os 6 NADS produzidos no Ciclo de Krebs trazem seus eletros e hidrogênios para a cadeia, junto com os 2 NADH iniciais da preparação para entrar no ciclo do ácido Cítrico e os outros 2 NADH da glicólise, totalizando 10NADH. Como cada NADH produz 3 ATPS e cada FADH produz somente 2 ATPS, só na cadeia respiratória haverá produção de 30 ATPS e com os 2 FADH terá produção de 4 ATPS. Logo um total de 34 ATPS. Esses somados a 2atps da Glicólise, e outros 2 do Ciclo de Krebs irá gerar um saldo final de 38 ATPS.
Lipídios
A digestão dos lipídios inicia no intestino delgado, onde os sais biliares emulsificam as gorduras formando micelas, para facilitar a ação das enzimas lipases. As lipases então hidrolisam as ligações éster dos lipídios saponificáveis, liberando ácidos graxos e os outros produtos como o glicerol, que atravessam então a mucosa intestinal, sendo convertidos em triacilgliceróis. Os triacilgliceróis, juntamente com o colesterol são incorporados às proteínas transportadoras, as apolipoproteínas, formando os quilomícron. Os quilomicron se movem pela corrente sangüínea até chegar aos tecidos e orgãos que metabolizam lipídios, sendo novamente hidrolizados e penetrando nas células. O principal órgão que metaboliza os lipídios é o fígado, entretanto eles também são metabolizados pelo coração para produção de sua própria energia. O fígado exporta lipídios metabolizados para outros tecidos como o cérebro na forma de corpos cetônicos, já que estes não metabolizam lipídios mas convertem os corpos cetônicos em acetil-CoA, sendo esta metabolizada no ciclo do ácido cítrico.
Os principais produtos da digestão de lipídios são o glicerol e ácidos graxos, portanto nesta aula trataremos apenas dos seus metabolismos. O glicerol é metabolizado na via glicolítica. Para isto ele precisa primeiro ser ativado pela enzima glicerol-quinase, que utiliza uma molécula de ATP para converter o glicerol em L-glicerol-3-fosfato. Em seguida a enzima glicerol3-fosfato-desidrogenase utiliza o NAD+ para converter o L-glicerol-3-fosfato em diidroxiacetona-fosfato. Por fim a enzima triose-fosfato-isomerase converte a diidroxiacetona-fosfato em D-gliceraldeído-3-fosfato, que segue seu caminho na via glicolítica. 
Figura 13: Metabolismo do glicerol.
Fonte: NELSON, D. L., COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5ª. Ed. Artmed, Porto Alegre – RS, 2011. Pg. 650.
METABOLISMO DE ÁCIDOS GRAXOS 
O metabolismo dos ácidos graxos ocorre no interior da mitocôndria. Para que eles sejam metabolizados é necessário primeiro ativalos, transformando seu grupo carboxilato num tio-éster da CoASH. A enzima acilCoA sintetase inicialmente ativa o ácido graxo com uma molécula de ATP. O oxigênio da carboxila ataca o fósforo-α do ATP, fornando acil-AMP e pirofosfato. O pirofosfato é hidrolisado à dois fosfatos inorgânicos. Em seguida a CoASH ataca a carbonila da acil-AMP, saindo o grupo abandonador AMP e formando acil-CoA (Figura 14). Os ácidos graxos com até 12 carbonos atravessam a membrana mitocondrial sem problemas. Para ácidos graxos maiores entram em ação as enzimas carnitina-aciltransferase I e carnitina aciltransferase II. A primeira catalisa a transesterificação da acil-CoA com a carnitina formando acilcarnitina e CoASH. A acil-carnitina atravessa sem problemas a membrana mitocondrial, e do outro lado a segunda enzima catalisa a transesterificação da acil-carnitina com a CoASH, formando acil-CoA e carnitina (Figura 15).
Figura 14: Ativação dos Ácidos Graxos
Fonte: NELSON, D. L., COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5ª. Ed. Artmed, Porto Alegre – RS, 2011. Pg. 651.
Figura 15: Transporte para o interior da mitocôndria via carnitina.
Fonte: NELSON, D. L., COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5ª. Ed. Artmed, Porto Alegre – RS, 2011. Pg. 652.
No interior da mitocôndria os ácidos graxos serão oxidados em quatro etapas, quebrando sua estrutura de dois em dois carbonos, até convertê-los em acetil-CoA, NADH e FADH2 . O acetil-CoA segue para o ciclo do ácido cítrico e os NADH e FADH2 seguem para a fosforilação oxidativa. 
Figura 16: Oxidação dos ácidos graxos
Fonte: NELSON, D. L., COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5ª. Ed. Artmed, Porto Alegre – RS, 2011. Pg. 653.
Proteínas e Aminoácidos
A digestão das proteínas inicia no estômago. As células parietais que revestem a parede do estômago secretam HCl, enquanto as células principais secretam pepsinogênio e a mucosa gástrica secreta gastrina. Quando o pH do estômago atinge valor entre 1,0-2,5 o pepsinogênio é convertido à pepsina, que é uma endopeptidase que estudamos na aula 04 de proteínas. O HCl hidrolisa as ligações peptídicas indiscriminadamente,enquanto que a pepsina hidrolisa as ligações peptídicas no lado N de Phe, Trp e Tyr. As glândulas do Retículo Endoplasmático rugoso do pâncreas secretam zimogênio e bicarbonato. O bicarbonato neutraliza o pH para 7,0 e o zimogênio é convertido em tripsina, quimotripsina e carboxipeptidases. A tripsina hidrolisa as ligações peptídicas no lado C de Arg e Lys, a quimotripsina no lado C de Phe, Trp e Tyr, e as carboxipeptidases hidrolisam a ultima ligação peptídica no lado C. Ao final deste processo todas as proteínas são convertidas à aminoácidos, que são absorvidos pelas vilosidades da mucosa intestinal.
Figura 17: Digestão de Proteínas
Fonte: NELSON, D. L., COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5ª. Ed. Artmed, Porto Alegre – RS, 2011. Pg. 676.
CICLO DA URÉIA
 
Quando o nitrogênio não é reciclado na síntese de aminoácidos ou de ácidos nucléicos, ele é depositado nas mitocôndrias das células do fígado na forma de amônio, onde será convertido em uréia pelo ciclo da uréia. Qualquer NH4 + que penetre nas células hepáticas é imediatamente ligado ao bicarbonato pela enzima carbamoil-fosfato-sintetase, que com o gasto de uma molécula de ATP converte o NH4 + em carbamoil-fosfato (Figura 18). Esta é uma reação muito semelhante à ativação do bicarbonato pelo ATP nas reações da carboxilação. Seu mecanismo envolve o ataque nucleofílico do ATP pelo bicarbonato, formando um bicarbonato ativado e ADP. Em seguida a amônia age como nucleófilo, atacando a carbonila do bicarbonato ativado, numa substituição acílica nucleofílica, sendo o fosfato o grupo abandonador e formando carbamato. Por fim o carbamato é ativado numa nova substituição nucleofílica com o ATP, formando carbamoil-fosfato e ADP. O carbamoil-fosfato funciona como um doador de carbamato, entrando assim no ciclo da uréia.
Figura 18: Ciclo da Uréia
Fonte: NELSON, D. L., COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5ª. Ed. Artmed, Porto Alegre – RS, 2011. Pg. 683
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
 A fosforilação oxidativa é uma série de reações de transferência de elétrons e prótons (H+) que ocorre na mitocôndria, na cadeia respiratória, e ao final converte o O2 em água. Essa série de reações garante que a energia desses elétrons não seja perdida, e sim convertida em energia química na forma de gradiente de prótons. Esse gradiente de prótons em seguida será utilizado para a síntese de ATP. A mitocôndria é uma organela que participa ativamente das vias metabólicas estudadas até o momento. Ela possui duas membranas, interna e externa. A membrana interna é impermeável às moléculas pequenas e íons, incluindo o H+, e contêm todos os transportadores de elétrons da cadeia respiratória, as enzimas ADP-ATP-translocase e ATP-sintase, além de outros transportadores de membrana. A membrana externa é permeável a pequenas moléculas e íons. No exterior da mitocôndria ocorre a glicólise e o ciclo da uréia. Na matriz mitocondrial (interior da mitocôndria) ocorre o ciclo do ácido cítrico, a β-oxidação dos ácidos graxos, a piruvato-desidrogenase e o metabolismo dos aminoácidos. O espaço intermembranas é onde ocorre a síntese da ATP na cadeia respiratória.
Figura 19: Mitocôndria
Fonte: NELSON, D. L., COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5ª. Ed. Artmed, Porto Alegre – RS, 2011. Pg. 708
 Exercícios
1) Explique o conceito de metabolismo e suas classificações.
2) Diferencie catabolismo de anabolismo.
3) Esquematize as reações da via glicolítica destacando:
a) Reações irreversíveis;
b) Reações que consomem ATP;
c) Etapa que produz o NADH;
d) Reações produtoras de ATP;
4) Defina lipídeos e suas principais funções. 
5) Com relação às substâncias químicas dos seres vivos resolva os itens a seguir: 
a) Qual a forma de armazenamento dos carboidratos nos tecidos animais e vegetais, respectivamente? 
b) Qual é a unidade monomérica dos ácidos nucléicos?
c) Em qual tipo de lipídeo são classificados os óleos e gorduras?
d) Cite um dos aspectos que permite distinguir as diversas proteínas.
6) Qual o rendimento energético derivado da oxidação do ácido graxopalmitil CoA que tem 16 átomos de carbono e nenhuma insaturação?
7) Cite e explique as situações em que os aminoácidos são degradados e o que acontece com eles quando são encaminhados para a degradação?
8)Sobre o ciclo da ureia responda:
a) Onde ocorre
b) Cite é o primeiro doador e o segundo doador dos grupos aminos.
c) Qual a finalidade deste ciclo.
d) Explique porque o ciclo da ureia e o ciclo de Krebs são interconectados. E explique o elo metabólico que existe entre eles.