INTRODUÇÃO AO METABOLISMO ENERGÉTIC1

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INTRODUÇÃO AO METABOLISMO ENERGÉTICO
Prof. Renato
(Sala dos professores: 20)
PLANO DE AULA;
· Visão Geral do Metabolismo energético;
· Conceitos gerais sobre metabolismo;
· Transdução de energia bioenergética;
· ATP como moeda energética;
· Compostos de alta e baixa energia;
· Sistemas de transferência de elétrons;
· Regulação do metabolismo: principais fatores.
Energia
A vida e as leis da termodinâmica
Primeira Lei da Termodinâmica: Observação Universal de que a energia é conservada nos processos químicos de qualquer natureza;
Está tudo presente no sistema: “Nada se cria, nada se perde; Tudo se transforma”
Segunda Lei da Termodinâmica: Indica que os processos biológicos espontâneos induzem a desordem.
· Entalpia: Conteúdo de calor das moléculas;
· Entropia: Grau de desordem
- Via central de oxidação da glicose, supre outras vias metabólicas (papel chave)
Metabolismo: soma de todas as reações químicas da célula (anabolismo + catabolismo)
Catabolismo: vias de produção de energia; fase de degradação de moléculas orgânicas (carboidratos, gorduras e proteínas) em produtos finais menores. Envolve liberação de energia (conservada como ATP; NADH, NADPH, FADH2)*
*Coenzimas transportadoras de elétrons
Sistemas multienzimáticos :realização de 4 funções
1. Obtenção de energia química;
2. Desempenho de trabalho mecânico na contração muscular;
3. Polimerização de precursores mononuméricos (polissacarídeos, gordura, proteínas)
4. Síntese e degradação de biomoléculas (anabolismo e catabolismo)
RESUMINDO:
Anabolismo: vias que usam energia para biossíntese de moléculas maiores e mais complexas. Necessitam de energia ( como ATP; NADH, NADPH, FADH2). Usa a energia produzida nos processos catabólicos.
Oxi-redução de fad´s e nad´s transportam elétrons, logo, transportam energia;
Agente Redutor: molécula doadora de elétrons
Agente Oxidante: molécula receptora de elétrons
PROPÓSITO DO METABOLISMO: FORNECIMENTO E UTILIZAÇÃO DE ENERGIA
- As células e os organismos vivos devem realizar trabalho para permanecer vivos, crescer e se reproduzir;
- Propriedade fundamental de um ser vivo: capacidade de controlar a energia e direcioná-la para o trabalho biológico;
Transdução de energia nas reações químicas: bioenergética x termodinâmica
Conversão de uma forma de energia em outra. Ex: transferência, produção. 
 Bioenergética: ΔG = ΔH –T . ΔS
· ΔG = Variação de energia livre
· ΔH = Tipo e número de ligações químicas, formação e a quebra de interações não covalentes
· ΔS = Variação de entropia do sistema (desordem do sistema)
· T = Temperatura absoluta em Kelvin
ΔS/ΔG > 0 = Não espontâneo – Endergônicas – Consome energia
ΔS/ΔG < 0 = Espontâneo – Exergônicas – Libera energia
ΔS/ΔG = 0 = Reação em equilíbrio
ΔH > 0 = reação endotérmica
ΔH < 0 = reação exotérmica 
Propósito do metabolismo: fornecimento e utilização de energoa
As células e os organismo vivos devem realizar trabalho para permanecer vivos, crescer e se reproduzir
Propriedade fundamental de um ser vivo: capacidade de controlar a energia e direcioná-la para o trabalho biológico.
Transdução de energia nas reações químicas: conversão de uma forma de energia em outra
Acoplamento de reações químicas
Uma reação termodinamicamente desfavorável pode ser dirigida por uma reação favorável: constante de equilíbrio da reação pode ser uma medida energia livre (ΔG). 
A ⇌ B + C 
B ⇌ D______ _
A ⇌ C + D 
Exemplo: Fosforilação da glicose:
ATP ADP +P 
glicose glicose6P________
Glicose + ATP Glicose6P + ADP
ATP é a moeda universal de energia livre em sistemas biológicos
ATP + H2O ⇌ ADP + Pi + H+ 
ATP + H2O ⇌ AMP + PPi + H+ 
p
 1. Realização de trabalho mecânico (contração muscular e movimentos celulares);
 2. Transporte ativo de íons e moléculas;
 3. Síntese de biomoléculas
FOSFORILAÇÃO DA GLICOSE
1. Glicose + Pi glicose-6-fosfato + H2O 
2. ATP + H2O ADP + Pi _____________________ __ _
Soma: ATP + glicose ADP + glicose-6-fosfato
O ATP tem alto poder de transferência de fosforilas
· Estabilização por ressonância: O Pi tem maior estabilização que o ATP
O ATP é a moeda universal de energia livre em sistemas biológicos
Outras moléculas com potencial de transferência de fosforilas 
· Podem fosforilar o ADP;
· A síntese de intermediários metabólicos com alto conteúdo energético é essencial para o funcionamento de uma via metabólica
· Composto de alta energia: libera acima de 30kJ Ex: Fosfenolpiruvato (PEP) Libera 6 KJ
· Composto de baixa energia: libera menor quantidade de energia. Ex: Hidrólise da Glicose libera 15KJ
O ATP tem alto poder de transferência de fosforilas
· Repulsão eletrostática: Em pH 7 o ATP possui 4 cargas negativas que se repelem por estarem muito próximas. A hidrólise do ATP resolve o impedimento eletrostático;
· Estabilização por hidratação: mais água pode se ligar ao ADP e do Pi do que ao ATP
· Hidrólise do ATP: liberação de grande quantidade de energia
 1,3 bisfosfoglicerato (1,3-BPG)
ATP MUSCULAR
CREATINA FOSFATO + ADP <-> ATP + CREATINA
REGENERAÇÃO DOS ESTOQUES DE ATP CELULAR (ciclo do ATP)
- Oxidação dos átomos de carbono (CO2) -> resulta em elétrons que são capturados e utilizados para regenerar ATP (oxidação de moléculas energéticas)
REAÇÕES DE OXIDAÇÃO-REDUÇÃO
-Transferência de grupos fosforil não é a única forma de se obter energia
- Reações de oxirredução 
· Perda de elétrons por uma espécie química (oxidada)
· Ganho de elétrons por outra espécie (reduzida)
- Os elétrons são transferidos de intermediários metabólicos para transportadores especializados que doam seus elétrons liberando energia no processo.
- Fluxo de elétrons: gera energia que será utilizada para realização de trabalho
1. Transferência entre pares redox de elementos;
2. Transferência de átomos de H: um próton e um elétron;
3. Transferência de íons hidreto (dois elétrons);
4. Transferência para Oxigênio (aceptor final de elétron)
- Perda de elétrons por uma espécie química (oxidada)
- Ganho de elétrons por outra espécie química (reduzida)
- Os elétrons são transferidos de intermediários metabólicos para transportadores especializados que doam seus elétrons: liberando energia no processo- Fluxo de elétrons gera energia que será utilizado para a realização de trabalho
- Objetivo: captar, transferir e armazenar a energia
· Transportadores universais: 
1. coenzimas: NAD+(nicotinamida adenina dinucleotídeo – derivado da vitamina B3 – niacina) , NADPH+ (nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato), FMN (mononucleotideo de flavina) e FAD+ (flavina adenina dinucleotideo) (formas oxidadas)
- Sofrem redução e oxidação reversíveis através de reações de transferência de elétrons durante o metabolismo energético;
- Durante o metabolismo essas coenzimas são reduzidas gerando: NADH, NADPH, FMH2 E FADH2
- A oxidação dessas coenzimas reduzidas gera grande quantidade de energia livre
Deficiência de B3(niacina): pelagra
· Sintetizada a partir do triptofano dieta pobre em triptofano pelagra (pele áspera, “três D”: dermatite, diarréia e demência);
· Tratamento: suplementação com vit. B3. Exceto em pessoas alcoólatras (absorção reduzida de niacina);
· Deficiência de niacina afeta todas as desidrogenases dependentes de NAD+ e NADP+
· Coenzima A:
- carreador universal de grupos acil;
- derivado da vitamina B5 ;
- possui ligação tioéster: hidrólise mais favorável
Extração de energia dos alimentos
1st. Moléculas complexas de alimento são quebradas em unidades menores através da digestão;
2nd. Produção de acetil- Coa e Consumo de ATP
3rd. Ciclo do Ácido Cítrico e fosforilação oxidativa e Oxidação completa do Acetil- CoA gerando grande quantidade de ATP;
A carga energética regula o metabolismo
Regulação do metabolismo
- Controle de quantidade de enzimas velocidade de transcrição (expressão gênica);
- Disponibilidade de nutrientes;
- Controle da atividade cetalíticaregulação alostérica (enzimas alostéricas) e modificação covalente; concentração de substratos e coenzimas;
- Controle de acessibilidade e substratos compartimentação;
- Intervenção hormonal (insulina, glucagon, adrenalina) importante reguladores metabólicos
METABOLISMO DE CARBOIDRATOS: GLICÓLISE
- Visão geral do metabolismo de carboidratos;
Algumas células utilizam exclusivamente glicose para produção de energia Ex: células cerebrais e hemácias
Produção de carreadores de elétrons = NAD 
- Glicólise (Glicose Piruvato) -> açúcar de 6 carbonos
· Fase de preparação e pagamento;
· Reações enzimáticas;
· Produção de ATP e NADH;
· Destinos do Piruvato
· Regulação da glicólise.
· Definição: A glicólise é a sequência de 10 reações que metaboliza uma molécula de glicose (6C) em duas de piruvato (3C) com a produção concomitante de duas moléculas de ATP
Digestão de carboidratos:
· Mastigação: fracionamento do alimento e mistura com a saliva;
· Estômago: a digestão de carboidratos cessa temporariamente no estomago devido a inativação da amilase salivar (pH);
· Intestino: a amilase pancreática; a digestão final ocorre pela ação de enzimas da mucosa intestinal; finalmente, ocorre a absorção de monossacarídeos (glicose, frutose e galactose) no intestino.
- Glicólise
· Envolve 10 reações enzimáticas;
· Ocorre no citoplasma;
· Envolve 11 intermediários metabólicos
· Dividida em duas fases
1. Fase preparatória:
I. Aprisionamento e desestabilização da glicose (através da fosfarilação)
II. Investimento de 2 moléculas de ATP (aumento conteúdo energético dos intermediários)
2. Fase de pagamento ou compensatória:
I. Produção de duas moléculas de ATP
II. Produção de 2NADH
- Metabolismo da glicose:
· A glicólise é uma via central quase universal do catabolismo de glicose, a via com o maior fluxo de carbono na maioria das células;
· Glicose; principal substrato oxidável: fonte de energia universal e prontamente utiliável dentro das células;
· Única fonte de energia (no curto prazo) para determinados tipos celulares: hemácias, cérebro, medula renal.
1st. FASE PREPARATÓRIA
 Isomeração da G-6P em frutose-6P: Aldose -> Cetose;
- Fosfohexose Isomerase
· Reação reversível;
· Controlada pela concentração de substrato/produtos
Formação de gliceraldeido-3P (3C) (GAP) e DI-hidroxicetona-P (3C) (DHAP)
 - Aldolase:
· Envolve a abertura do anel;
· Reação reversível em condições fisiológicas apesar do AG>0
· Somente o GAP entra na 2 fase da glicólise;
· Consumo de GAP e DHAP desloca o equilíbrio no sentido direto da reação.
Formação de Frutose-1,6-bifosfato
 - Fosfofrutoquinase-1 (PPK-1)
· Reação de fosforilação
· Reação irreversível: 2 ponto chave da regulação da glicólise
· A PPK-1 é uma enzima alostérica e catalisa uma reação exergônica
· Controla a velocidade da glicólise;
· Etapa “comprometida” com a glicólise.
Balanço parcial da fase 1
· Entrou 1 molécula de glicose (6C);
· Consumo de 2 ATPs para a fosforilação da glicose;
· Saíram 2 moléculas de GAP 3C fosforilado
Conversão de DI-hidroxiacetona-P (3C) (DHAP) em gliceraldeído-3P (3C) (GAP)
 - Triose fosfato isomerase:
· Reação rápida e reversível;
· No equilíbrio: 96% da triose fosfato está na forma de DHAP
· A remoção de GAP pelas próximas reações desloca o equilibro no sentido direto.
2nd. FASE DE PAGAMENTO
Fosforilação no nível de substrato: transferência do grupo fosforil do 1,3-BGP ao ADP
Enzima: fosfoglicerato-cinase
 - Acoplamento da etapa e etapa 2 torna o processo termodinamicamente favorável
· Gliceraldeído-3P desidrogenase 1,3-BPG: reação endergônica 
· Fosfoglicerato-cinase: transferência do grupo fosforil: reação exergônica
2 moléculas de GAP entram nesta fase;
Enzima: gliceraldeido-3-fosfato desidrogenase
· Oxidação de GAP em 1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG)
· Formação de composto de alta energia;
· Reação reversível
· Importância da reciclagem do NAD+
Desidratação de 2-fosfoglicerato a fosfoenlopiruvato (PEP)
Enzima: enolase
· Formação do 2 composto de alta energia;
· Potencial de transferência do grupo fosforil da PEP = ΔG -61,9 kj/mol
Destinos do piruvato
Balanço geral da glicólise
Glicose + 2ATP + 2NAD++ 4ADP + 2Pi 2 piruvato + 2ADP + 2NADH + 2H+ + 4ATP + 2H2O
Glicose + 2NAD+ + 2Pi 2 PIRUVATO + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O
· ATP: principal moeda energética;
· NADH: condições aeróbicas oxidação pelo O2, produção de ATP e H2O;
· NADH: ausência de oxigênio glicólise cessa: escassez de NAD+;
· É necessária a reoxidação a NAD+ para ocorrer glicólise
Regeneração de NAD+
O metabolismo do Piruvato permite manter a glicólise em condições anaeróbicas
Ao ser fermentado o Piruvato permite regenerar o NAD+
Ausência de O2: redução do Piruvato a lactato
Enzima: lactato-desidrogenase
Fermentação láctica
Lactato como fonte de energia
O lactato pode ser exportado da célula ou convertido (novamente) em piruvato;
Durante a recuperação muscular o lactato é transportado pelo sangue até o fígado, onde é usado na síntese da glicose ciclo de cori
Rendimento em energia da fermentação 
Fermentação alcoólica 
· Leveduras e outros microorganismos 
· Álcool desidrogenase: no homem, envolvida no metabolismo do etanol no fígado
· Glicose + 2ADP + 2Pi 2entanol + 2CO2 + 2ATP + 2H2O
Fermentação láctica 
· Nos eritrócitos
· Músculos em contração vigorosa
· Microorganismos
· Glicose + 2Pi + 2ADP 2lactato + 2ATP + 2H2O
Metabolismo de outras hexoses
Galactosemia: incapacidade de transformar galactose em glicose
· Acúmulo de galactose gerando galactitol ou galactonato: toxicidade elevada;
· Acúmulo de galactose-1-fosfato: insuficiência hepática, galactosúria, hepaatomegalia (acúmulo de galactitol nos hepatócitos, aumento da pressão osmótica)
Intolerância a frutose
· Frutose + ATP Frutose-1P + ADP
· ADP +
· Moléculas de ATP produzidas: 4
· Saldo de ATP: 2
· Produto final: piruvato, que pode seguir diferentes caminhos:
1. Músculo: consome glicose para produção de ATP;
2. Fígado: consome ou libera glicose dependendo da [glicose] na corrente sanguínea
· Período pós-prandrial (bem-alimentado): glicose é armazenada no fígado;
· Jejum (gliconeogênese): glicose é liberada do fígado e transportada para os tecidos periféricos.
Regulação da Glicólise
· Papéis primários da glicólise:
- produção de ATP e intermediários metabólicos (nucleotídeos e ácidos graxos)
· Velocidade da glicólise é regulada:
1. - Pelo nível de ATP;
2. - Regeneração de NAD+;
3. - Fosfofrutoquinase 1 (PFK-1)
4. - Piruvato-cinase: