Metabolismo Energético e Termodinâmica

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GLICÓLISE
DISCIPLINA: BIOQUÍMICA
Prof. Luciano barros
Cesc-uema
2019
Termodinâmica
Energia
(Calor)
Trabalho
(movimento)
Máquina à vapor
Leis:
1ª Lei: 
Princípio da conservação da energia:
A energia não pode ser criada nem destruída. Pode somente mudar a forma ou o local em que ela se apresenta
2ª Lei:
Princípio da “desordem crescente”
Nos processos espontâneos há uma tendência a aumentar o grau de desordem. o universo sempre tende para a desordem crescente: em todos os processos naturais a entropia do universo aumenta.
“Termodinâmica é o conjunto de princípios que regem as transformações de energia”
DG= DH -T DS 
2
Os dois componentes de DG
Energia livre de Gibbs, G:
Quantidade de energia associada a uma reação, capaz de realizar trabalho.
Quando a reação libera energia a variação na energia livre de Gibbs tem sinal negativo
DG<0 (exergônica)
Quando a reação absorve energia a variação na energia livre de Gibbs tem sinal positivo
DG>0 (Endergônica)
Entalpia, H:
É o conteúdo de calor de um sistema. 
Reflete o número e o tipo de ligações químicas nos reagentes e nos produtos
Quando uma ligação libera calor DH tem, por convenção ,um sinal negativo.
DH< 0 (Exotérmica)
Quando uma ligação absorve calor DH tem, por convenção ,um sinal positivo
DH>0 (Endotérmica)
Entropia, S:
É uma expressão do grau de desordem de um sistema.
Quando os produtos de uma reação são menos complexos ou mais desordenados que os reagentes a reação ocorre com ganho de entropia
DS>0 (Aumento da desordem)
 DS<0 (Diminuição da desordem)
DG= DH -T DS 
A variação de energia livre (DG) depende da variação do conteúdo de calor (DH) e da variação no grau de desordem
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Os dois componentes de DG
DG= DH -T DS 
Entalpia
Entropia
(calor) 
m
d
e
s
o
r
d
e
Quanto mais calor for liberado mais favorável é a reação
Quanto maior for o aumento na desordem, mais favorável é a reação
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Variações de			
nas reações químicas
energia
DG
= variação
G = energia livre de Gibbs
Lê-se: variação na energia livre de Gibbs
A
B
DG é usada como medida na variação de energia das reações
DG serve como uma medida da espontaneidade da reação 
Qundo DG é negativo significa que a reação libera energia e portanto é espontânea 
A
B
DG negativo
Quando DG é igual a zero significa que a reação se equilibra com concentrações iguais de reagentes e produtos
A
B
DG = 0
Quando DG é positivo significa que a reação absorve energia. Isso significa que a reação inversa é espontânea
A
B
DG positivo
INTRODUÇÃO
Metabolismo
Conjunto de reações químicas que ocorrem no organismo.
Ex.: biossíntese de nucleotídeos e aminoácidos, degradação de ácidos graxos.
INTRODUÇÃO
A unidade do metabolismo é a via metabólica:
Cada via metabólica tem uma função
Para que serve na célula?
Cada via metabólica tem sua regulação
Como é ligada e desligada?
Cada via metabólica tem suas conexões
Com que outras vias se conecta?
INTRODUÇÃO
Metabolismo: catabolismo & anabolismo
Vias metabólicas: produto(s) inicial e final definidos
Enzimas como catalizadores
Presença de cofatores- orgânicos (coenzimas, grupos prostéticos) ou inorgânicos (Mg2+, Zn, etc)
Regulação da via (etapas irreversíveis)
Catabolismo X Anabolismo
Catabolismo é a fase de degradação do metabolismo
em que moléculas orgânicas de nutrientes (carboidratos,
gorduras e proteínas) são convertidos em moléculas menores e mais simples
produtos (como o ácido láctico, CO2, NH3).
As vias Catabólicas liberam energia. 
Parte dessa energia é aprisionada:
na molécula de ATP 
nos transportadores de elétrons (NADH, NADPH e FADH2), 
o restante é perdida como calor
No anabolismo (biossintese) moléculas complexas (lipideos, polissacarídeos, proteínas, ácidos nucléicos) são produzidos à partir de precursores simples 
As reações anabólicas exigem uma entrada
de energia, geralmente sob a forma :
 das ligações fosfoanidrido do ATP e 
do poder redutor do
NADH, NADPH e FADH2
Macromoléculas
Proteínas
Polissacarídeos
Lipídeos
Ácidos nucléicos
Anabolismo
Catabolismo
Nutrientes
Carboidratos
Gorduras
Proteínas
Energia 
química
Produtos finais
CO2
H2O
NH3
Moléculas
Precurssoras
Aminoácidos
Açúcares
Ácidos graxos
Bases nitrogenadas
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Existem alguns intermediários-chave no metabolismo energético
Glicogênio
Piruvato
Acetil—CoA 
Ácido graxo
Aminoácidos
Observações:
Seis delas se agrupam em pares
Glicogênese (1) X glicogenólise (2)
Glicólise (3) X Gliconeogênese (4)
Síntese de ác. Graxo (8) X Ox. ác. Graxo (9)
Duas são cíclicas:
Ciclo de krebs (6)
Ciclo da uréia (11)
Vias do metabolismo energético
Glicose
Piruvato
Ribose
Acetil—CoA 
Ácido graxo
glicólise
gliconeogênese
Via das pentoses
Síntese de ác. graxo
Oxidação de ác. graxo
glicogênese
glicogenólise
Glicogênio
Fosforilação oxidativa
Ciclo da uréia
Aminoácidos
Oxidação de aác.
1
2
3
4
5
Ciclo de Krebs
6
7
8
9
10
11
NH3
(amônia)
CO2
H
v
v
v
uréia
O2
H2O
ADP
ATP
INTRODUÇÃO
As vias metabólicas são coordenadas de modo que a produção de energia e geração de produtos estão direcionadas as necessidades celulares;
Sistemas de comunicação: 
Hormônios;
Neurotransmissores;
Disponibilidade de nutrientes.
INTRODUÇÃO
Comunicação Intracelular (Sinais dentro da célula):
Determinam respostas rápidas. Controle metabólico minuto-a-minuto;
Ex: Alteração da velocidade de uma via metabólica por:
Disponibilidade de substratos;
Geração de produtos;
Moduladores alostéricos.
INTRODUÇÃO
Comunicação Intercelular (Entre células):
Mais lenta; Essencial para sobrevivência e desenvolvimento dos seres;
Pode se dá por:
Junções comunicantes;
Sinalização mediada por hormônios;
Contato direto (elementos de superfície).
Como a energia é armazenada na célula?
Nas ligações fosfato da molécula de ATP.
ATP
ATP = Adenosina tri-fosfato;
Armazena nas suas ligações fosfatos a energia liberada na quebra da glicose;
Quando a célula precisa de energia para realizar alguma reação química, as ligações entre os fosfatos são quebradas, a energia é liberada e utilizada no metabolismo celular. 
ATP
Essa molécula é formada pela união de uma adenina e uma ribose aderida a três radicais fosfato.
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ATP 
um carreador de grupamentos fosfato e de energia quimica
Via glicolítica
Fosforilação oxidativa
Biossínteses
Formação de gradientes (transporte)
Movimentação celular
Glicose
Piruvato
O2 + H+ + e-
H2O
ATP 
ADP + Pi
Fosforilações
Estrutura do Trifosfato de adenosina (ATP)
P
P
Ribose
Base
P
ATP
Pensando simples
Vias exergônicas
(oxidações)
Vias endergônicas
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Compostos de alta e de baixa energia
ACEPTORES INTERMEDIÁRIOS DE H+
São aceptores intermediários de hidrogênio, ligando-se a prótons (H+) “produzidos” durante as etapas da respiração e cedendo-os para o oxigênio, que é aceptor final de hidrogênios.
O NAD (nicotinamida-adenina-dinucleotídeo) é uma molécula formada por dois nucleotídeos, contendo a base nitrogenada adenina e uma molécula de nicotinamida
O FAD (flavina-adenina-dinucleotídeo). NAD ≠ FAD quantidade de ATPs produzidos. NAD – 3 ATPs; FAD – 2 ATPs.
ACEPTORES INTERMEDIÁRIOS DE H+
NAD
FAD
ATP
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Processos de liberação de energia
Aeróbios: ocorre com a participação do oxigênio. Ele é o aceptor final de elétrons e hidrogênios;
Anaeróbios: Também chamado de FERMENTAÇÃO. Acontece sem a utilização de oxigênio. Os aceptores finais dependem do tipo de fermentação.
Respiração aeróbia
 Fases:
Anaeróbia (glicólise): não necessita de oxigênio para ocorrer e é realizada no citoplasma;
Aeróbia (ciclo de Krebs e cadeira transportadora de elétrons): requer e presença de oxigênio e ocorre dentro das mitocôndrias.
 PRIMEIRA ETAPA - GLICÓLISE 
Quebra da molécula de glicose
C 6H12O6
(2) C3H4O3
4H+
NAD e FAD 
Moléculas Carregadoras de H+
 Cada molécula carrega 2 átomos de H+ 
ÁCIDO PIRÚVICO 
- 2NAD + 2H2 = 2NADH2
- FORAM PRODUZIDOS 2 AC. PIRÚVICOS
- SALDO DE 2 ATP NA REAÇÃO
PRODUTOS DA GLICÓLISE
GLICÓLISE
“Sequência metabólica composta por um conjunto de dez reações catalisadas por enzimas livres no citosol, na quala glicose é oxidada produzindo duas moléculas de piruvato, duas moléculas de ATP e dois equivalentes reduzidos de NADH+, que serão introduzidos na cadeia respiratória ou na fermentação”
GLICÓLISE: AERÓBICA E ANAERÓBICA
GLICÓLISE
Glicólise é universal e tem papel central no catabolismo de glicose.
Em alguns organismos ou células é preferencial ou exclusiva: cérebro, retina, hemácias, córnea (mamíferos), tubérculos de batata e outras plantas aquáticas, alguns microorganismos anaeróbicos. 
Aeróbicos facultativos: levedos, bactérias
TRANSPORTE DE GLICOSE PARA AS CÉLULAS
Isoformas de transportador induzido por insulina. 
Tecido-específico; Independente de Na+.
Co-transporte Glicose-Na+
Transporte ativo;
Acoplado ao gradiente de concentração de Na+;
Alguns tecidos: túbulos renais, epitélio intestinal e plexo coroide.
GLICÓLISE: FASES
Fase preparatória ou de investimento e; 
Etapa de produção de energia
Glicólise: hexoquinase -etapa 1 de comprometimento
Hexoquinase- cataliza a fosforilação de outras hexoses (frutose, galactose etc)
Hexoquinase D ou glucoquinase- hepatócitos, cel. Beta pâncreas 
Solúvel, citosólica
Enzima reguladora
Hexoquinase X Glucoquinase
Glucoquinase apresenta maior Km e Vmax;
Glucoquinase não é inibida pelo glicose 6-fosfato e sim pela frutose 6-fosfato;
 Níveis de glicose e insulina estimulam a Glucoquinase (liberação nuclear);
Isomerização da glicose 6-fosfato/ Etapa 2 
REAÇÃO REVERSÍVEL
NÃO LIMITANTE OU REGULADA
Fosfofrutoquinase-1 (PFK-1) Etapa 3
PFK-1 é importante enzima regulatória dessa via;
Inibição por altos níveis de ATP, citrato;
Estímulo pela frutose 2,6-bifosfato e AMPc.
Clivagem da frutose 1,6-bifosfato- Etapa 4 
Aldolase de alguns microorganismos é dependente de Zn 2+
Reação reversível e não-regulada
Isomerização da diidroxiacetona-fosfato/ Etapa-5
Produção líquida de 2 moléculas de gliceraldeído 3-fosfato
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Oxidação do gliceraldeído 3-fosfato/ Etapa 6
Primeira reação que leva a conservação de energia como ATP;
Primeira reação de óxido-redução;
Formação de NADH;
Necessidade de reoxidação do NADH (pequena quantidade);
Oxidação do gliceraldeído 3-fosfato/ Etapa 6
Envenenamento por arsênio:
Impede a formação de NADH e ATP sem parar a via glicolítica;
Compete com o Pi pela gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase;
Quebra espontânea do 1,3-bifosfoglicerato a 3-fosfoglicerato;
Sintese de 2,3-bifosfoglicerato nos eritrócitos:
Transformação de 1,3-bifosfoglicerato em 2,3-bifosfoglicerato pela bifosfoglicerato-mutase;
 
Síntese de 3-fosfoglicerato com produção de ATP/Etapa 7
Reação reversível;
Para cada molécula de 1,3-BPG forma-se 1 ATP (=2ATPs);
Reposição dos ATPs consumidos com formação de G6P e F1,6P.
Troca de Fosfato de C3 por C2/Etapa 8
Desidratação do 2-fosfoglicerato/Etapa 9
Formação de um produto de alta energia
Reação reversível
Formação de piruvato com produção de ATP/Etapa 10
Formação de piruvato com produção de ATP
Terceira etapa irreversível;
Regulada por proação da frutose 1,6-bifosfato formado pela fosfofrutocinase;
Modulação covalente indireta pelos Glucagon no jejum;
Modulaçao da piruvato-cinase pelo glucagon
Acúmulo de fosfoenolpiruvato
Estímulo a gliconeogenese.
GLICÓLISE
A Glicólise libera apenas uma pequena fração (-146 KJ/mol) da energia total disponível na molécula de glicose (-2840 KJ/mol);
As duas moléculas de piruvato ainda retêm a maior parte da energia potencial da glicose que pode ser extraída pelo ciclo de Krebs e pela fosforilação oxidativa.
Anemia por deficiência de enzimas glicolíticas
Eritrócitos não possuem mitocôndrias;
Deficiência de ATP leva a alterações celulares com fagocitose pelo SMF;
Causas comuns: deficiência de piruvato-cinase e glicose 6-fosfato-desidrogenase;
Regulação da glicólise
Piruvato quinase: fosfoenolpiruvato piruvato
Pelo menos 3 isoenzimas. Inibição: ATP, acetil CoA, ácidos graxos de cadeia longa. Ativação: fru 1,6-bisfosfato (fígado) 
Hexoquinase: hexose hexose-6P
Km 0,1 mM, inibida por Glc-6-P
Glucoquinase (fígado): Glc Glc-6-P
 Km 10 mM, inibida por Fru-6-P.
Fosfofrutocinase-1: Frutose-6P Frutose 1,6 Bifosfato
Inibição ATP, citrato, isocitrato. Ativação ADP, AMPc
Formação de lactato no músculo
Em exercício há produção excessiva de NADH elevando a relação NADH/NAD;
Favorecimento da conversão de piruvato a lactato;
Redução do pH causando lesão com dor e câimbras;
Difusão do lactato pelo sangue.
Acidose lática
Excesso de lactato no plasma (IAM, choque, hemorragia aguda, embolia pulmonar, choque);
Redução na produção de ATP por falha na fosforilação oxidativa
Estímulo da glicólise anaeróbia com produção de ATP (baixo rendimento);
Leva a débito de oxigênio (morbidade e mortalidade);
Medida de lactato para avaliar o débito de oxigênio.
Regulação hormonal da glicólise
Regulação rápida (minuto a horas): ativação/inibição alostérica, fosforilação/desfosforilação de enzimas-chaves;
Insulina: aumento da produção de fosfofrutocinase, glicocinase e piruvato-cinase;
Glucagon: inibição da produção de fosfofrutocinase, glicocinase e piruvato-cinase;
Horas a dias. Mais potente com inibição ou ativação de transcrição genica.
Destinos alternativos do piruvato
Descarboxilação do piruvato: formação de Acetil-CoA via piruvato desidrogenase;
Carboxilação do piruvato a oxalacetato: formação de oxalacetato dependente de biotina;
Redução do piruvato a etanol (fermentação alcoolica): produção de álcool por microorganismos.
Redução do piruvato a lactato