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CARBOIDRATOS PRINCIPAIS FUNÇÕES · Síntese de outras biomoléculas · Geração de energia (ATP) · Elementos estruturais · Reconhecimento entre células · Sinalização Os carboidratos são polihidroxialdeídos ou polihidroxicetonas CLASSIFICAÇÕES · Quanto ao número de unidades de monossacarídeos Monossacarídeos uma molécula de carboidratos Possui de 3 a 7 átomos de carbono São açucares simples Não sofrem hidrolise Oligossacarídeos Possui de 2 a 10 moléculas de carboidratos. São unidos por ligação glicosídica, que ocorre por meio de uma hidrolise (ganho de uma molécula de água). É formada quando um grupo hidroxila de uma molécula de açúcar reage com o carbono anomérico de outro Classificação: Dissacarídeos: 2 monossacarídeos Sacarose: frutose + glicose Lactose: galactose + glicose Maltose: glicose + glicose Trissacarideos: 3 monossacarídeos Tetrassacarideos: 4 monossacarídeos Pentassacarideos: 5 monossacarídeos Hexassacarideos: 6 monossacarídeos Heptassacarídeos: 7 monossacarídeos Polissacarídeos Possui mais de 10 monossacarídeos Amido Reserva de energia de plantas e algas. A amilase quebra o amido em várias maltoses. A maltase quebra a maltose para usar a glicose. Glicogênio Reserva energética dos animais e fungos a insulina forma o glicogênio que retira a glicose em excesso do sangue e armazena nas células do fígado O glucagon quebra o glicogênio para mandar a glicose armazenada para o sangue. Celulose Faz parte da parede celular das plantas O ser humano não digere a celulose. Quitina Forma o exoesqueleto dos artrópodes e a parede celular dos fungos · Quanto o número de átomos de carbonos Relacionado aos monossacarídeos Triose Possui 3 átomos de carbono (C3H6O3) Tetrose Possui 4 átomos de carbono (C4H8O4) Pentose Possui 5 átomos de carbono (C5H10O5) Hexose Possui 6 átomos de carbono (C6H12O6) ISOMERISMO DOS CARBOIDRATOS · ISÔMEROS Isômeros são compostos com a mesma formula estrutural, mas que se diferem no arranjo dos átomos no espaço Glicose: C6H12O6 · EPÍMEROS São isômeros que se diferem na configuração ao redor de um átomo de carbono específico. CICLIZAÇÃO Estruturas cíclicas são favorecidas em solução aquosa. PIRANOSES São compostos com anel de seis membros Se assemelham ao pirano É mais estável e abundante FURANOSES São compostos com anel de cinco membros Se assemelham ao furano ESTER ISÔMEROS Anômeros alfa e beta se diferem na estereoquímica em torno do carbono hemiacetal Serie alfa: hidroxila do centro anomerico do mesmo lado da hidroxila mais distante da carbonila c4. HETEROPOLISSACARÍDEOS De matriz extracelular GLICOSAMINOGLICANOS Componentes de tecidos conjuntivos, São polímeros lineares de aproximadamente 200 unidades repetidas de dissacarídeos São negativamente carregados de hidrofílicos, atraindo nuvens de cátions Na+ e retendo água. Estão presentes nas cartilagens, córnea e nos ossos. São bastante resistentes, aguentando forças compressivas, como na cartilagem do joelho. Aguentam centenas de atmosferas de pressão. GLICOPROTEINAS Moléculas de carboidratos ligadas a proteínas. Ex: anticorpos Glicoproteínas de superfície celular no reconhecimento célula-celula ocorre por meio do neutrófilo circulante que é desacelerado por interações entre moléculas de glicoproteínas de sua superfície e proteínas presentes na superfície de células endoteliais. Os neutrófilos começam a extravasar do vaso movendo-se em direção ao sítio da inflamação. PROTEOGLICANOS Proteínas glicosiladas com um ou mais glicosaminoglicanos. Está presente na matriz extracelular e na superfície celular, são organizadores de tecidos e influenciam as atividades celulares. Exemplos de dissacarídeo do peptídeoglicano de parede de bactéria GLICOLIPÍDEOS Glicosinapse: adesão celular e transdução de sinal Responsável pelo desenvolvimento embrionário e pelo reconhecimento pelo sistema imunológico SISTEMA ABO LIPOPOLISSACARÍDEOS São moléculas dominante na membrana externa de bactérias gram-negativas. É o alvo primário para anticorpos Sorotipo de linhagem de bacterias CARBOIDRATOS COMO MEDIADORES DA LIGAÇÃO PATÓGENO-HOSPEDEIRO Quase todos os patógenos apresentam algum mecanismo para se aderir aos tecidos do hospedeiro em sua porta de entrada. Para a maioria dos patógenos esse fenômeno, chamado de aderência ou adesão, é uma etapa necessária para a patogenicidade. A aderência entre o patógeno e o hospedeiro é obtida por moléculas na superfície do patógeno, denominadas adesinas ou ligantes, que se ligam especificamente a receptores complementares de superfície nas células de certos tipos de tecidos do hospedeiro. As adesinas podem estar localizadas no glicocálice ou em outras estruturas da superfície microbiana. A maioria das adesinas ns micro-organismos estudados até hoje é constituída por glicoproteínas ou lipoproteínas. Os receptores nas células do hospedeiro tipicamente são açucares, como a manose. Se as adesinas, os receptores ou ambos podem ser alterados para interferir na aderência, infecções podem ser evitadas, ou pelo menos controladas. Streptococcus mutans, uma bactéria que desempenha um papel fundamental na degradação dentaria, se liga à superfície dos dentes por meio de seu glicocálice. Uma enzima produzida pelo S. mutans, chamada de glicosiltranferase, converte a glicose em um polissacarídeo aderente denominado dextrana, que faz parte do glicocálie da bactéria. Células bacterianas de antinomyces possuem fimbrias que se aderem ao glicocálice de s. mutans. A combinação de S. mutans, acyinomyces e dextrana constitui a placa dentaria e contribui para a cárie, causando deterioração dentaria. GLICOSE A glicose ocupa posição central no metabolismo de plantas, animais e muitos microorganismos. Ela é rica em energia potencial e, por isso, é um bom combustível. A célula pode estocar grandes quantidades de unidades de hexose por meio do armazenamento da glicose na forma de polímero de alta massa molecular, como o amido e o glicogênio. Quando a demanda de energia aumenta, a glicose pode ser liberada desses polímeros de armazenamento intracelulares e utilizada para produzir ATP de maneira aeróbia ou anaeróbia. PRINCIPAIS DESTINOS · Matriz extracelular e polissacarídeo da parede celular · Síntese de polímeros estruturais · Oxidação pela via da pentose-fosfato · Glicogênio, amido, sacarose · Armazenamento · Oxidação por glicose para fornecer ATP e intermediários metabólicos · Piruvato. 3 atomos de carbono. · Ribose – 5 – fosfato realização da síntese de acido nucleico e NADPH FERMENTAÇÃO É a degradação anaeróbia da glicose ou de outros nutrientes orgânicos para obtenção de energia, conservada como ATP. Como os organismos vivos surgiram inicialmente em uma atmosfera sem oxigênio, a quebra anaeróbia da glicose provavelmente seja o mais antigo mecanismo biológico de obtenção de energia a partir de moléculas orgânicas combustíveis. GLICÓLISE Na glicólise, uma molécula de glicose é degradada em uma série de reações catalisadas por enzimas, gerando duas moléculas do composto de três átomos de carbono, o piruvato. Durante as reações sequenciais da glicólise, parte da energia livre da glicose, a via com o maior fluxo de carbono na maioria das células. A quebra glicolítica da glicose é a única fonte de energia metabólica em alguns tecidos e células de mamíferos Ex: eritrócitos, medula renal e cérebro. A quebra da glicose, formada por seis átomos de carbono, em duas moléculas de piruvato, cada uma com três carbonos, ocorre em 10 etapas, sendo que as 5 primeiras constituem a fase preparatória. Na fase preparatória da glicose, a energia do ATP é consumida, aumentando o conteúdo de energia livre dos intermediários. O ganho de energia provém da fase de pagamento da glicolise. A glicólise é rigidamente regulada de forma coordenada com outras vias geradoras de energia para garantir um suprimento constante de ATP. Para cada molécula de glicose que passa pela fase preparatória, duas moléculas de gliceraldeído-3-fosfato são formadas, as duas passam pela fase de pagamento O piruvatoé o produto final da fase de pagamento da glicólise. Para cada molécula de glicose, dois ATP são consumidos na fase preparatória e quatro ATP são produzidos na fase de pagamento, dando um rendimento líquido de dois ATP por molécula de glicose convertida em piruvato. DESTINOS DO PIRUVATO O piruvato formado na glicólise é mais adiante metabolizada por três rotas catabólicas. PRIMEIRO DESTINO Em organismos aeróbios ou em tecidos em condições aeróbias, a glicólise é apenas o primeiro estágio da degradação completa da glicose. O piruvato é oxidado, com a perda de seu grupo carboxil na forma de CO2 para gerar o grupo acetil de acetil-coenzima A. O grupo acetil é então completamente oxidado a CO2 no ciclo do ácido cítrico Os elétrons originados dessa oxidação são transferidos ao O2 por uma cadeia de transportadores na mitocôndria, formando H2O. A energia liberada nas reações de transferência de elétrons impulsiona a síntese de ATP na mitocôndria. A energia remanescente do piruvato A glicólise libera apenas uma pequena fração da energia total disponível na molécula de glicose. As duas moléculas de piruvato formadas pela glicólise ainda contêm a maior parte da energia potencial química existente na glicose, energia que pode ser extraída por reações oxidativas no ciclo do ácido cítrico e na fosforilação oxidativa. SEGUNDO DESTINO O segundo destino do piruvato é a sua redução lactato por meio da fermentação láctica. Quando em contração vigorosa, o musculo esquelético trabalha em condições de baixa pressão de oxigênio (hipoxia), em que NADH não pode ser reoxidado a NAD+, mas NAD+ é necessário como aceptor de elétron para a oxidação do piruvato. Sob essas condições, o piruvato é reduzido a lactato, recebendo os elétrons do NADH, dessa forma regenerando o NAD+ necessário para continuar a glicólise Certos tecidos e tipos celulares convertem glicose e lactato mesmo em condições aeróbias Ex: retina e eritrócitos. A redução do piruvato por essa via é catalisada pela lactato-desidrogenase, que forma o isômero L do lactato em pH 7. O lactato formado pelo músculo esquelético em atividade ou pelos eritrócitos pode ser reciclado. Ele é transportado pelo sangue até o fígado, onde é convertido em glicose durante a recuperação da atividade muscular exaustiva. Quando o lactato é produzido em grande quantidade durante a contração muscular vigorosa, a acidificação resultante da ionização do ácido láctico nos músculos e no sangue limita o período de atividade vigorosa. Os atletas mais bem condicionados só podem correr por um minuto em velocidade máxima. LACTATO DESIDROGENASE (LDH) A lactato desidrogenase é uma enzima amplamente distribuída entre diversos tecidos e órgãos. Ex: rins, coração, músculo esquelético, cérebro, fígado e pulmões A LDH apresenta cinco isoformas separáveis por eletroforese, sendo sua distribuição no organismo: · LDH1 e LDH2 –tecido cardíaco e eritrócitos · LDH3 –baço, pulmões, placenta e pâncreas · LDH4 e LDH5 –musculatura esquelética e fígado. Os níveis plasmáticos de LDH total podem sofrer aumento em diversas condições. Contudo, a isoforma LDH1 é a que tem maior especificidade para a confirmação e é utilizada no diagnóstico diferencial do IAM. A inversão da razão LDH1 > LDH2 é típica do IAM (apesar de ocorrer também em amostras hemolisadas. TERCEIRO DESTINO A terceira rota principal do catabolismo do piruvato leva à produção de etanol. Em alguns tecidos vegetais e em certos invertebrados, protistas e microrganismos como levedura da fabricação da cerveja e do pão, o piruvato é covertido em hipoxia e em condições anaeróbias em etanol e CO2, através de um processo chamado de fermentação etanólica (alcoólica). A oxidação do piruvato é um processo catabólico importante, mas o piruvato também tem destinos anabólicos. Ele pode, por exemplo, prover o esqueleto carbônico para a síntese do aminoácido alanina ou para a síntese de ácidos graxos. VIAS ALIMENTADORAS DA GLICÓLISE Muitos carboidratos, além da glicose, encontram seus destinos catabólicos na glicólise, após serem transformados em um dos intermediários glicolíticos. Os mais significativos são: Polissacarídeos de armazenamento Glicogênio e amido, contidos nas células (endógenos) ou obtidos da dieta; Dissacarídeos maltose, lactose, trealose e sacarose; Monossacarídeos frutose, manose e galactose Os polissacarídeos e os dissacarídeos ingeridos são convertidos a monossacarídeos por enzimas hidrolíticas intestinais, e os monossacarídeos então entram nas células intestinais e são transportados para o fígado ou para outros tecidos. Polissacarídeos e dissacarídeos ingeridos na alimentação são hidrolisados em Monossacarídeos. Outros monossacarídeos entram na via glicolítica em diversos pontos. Na maior parte dos organismos, outras hexoses além da glicose podem sofrer glicólise após a conversão a um derivado fosforilado. Alta taxa da glicólise em tumores sugere alvos para quimioterapia e facilita o diagnóstico Em muitos tipos de tumores encontrados em humanos e em outros animais, a captação e a degradação de glicose ocorrem cerca de 10 vezes mais rápido do que em tecidos normais, não cancerosos. A maior parte das células tumorais cresce em condições de hipóxia (com suprimento de oxigênio limitado) devido à falta, pelo menos inicialmente, das redes capilares que suprem com oxigênio suficiente. Células cancerosas localizadas a mais de 100 a 200 µm dos capilares mais próximos dependem somente da glicose (sem oxidação adicional de piruvato) para a maior parte da produção de ATP. O rendimento de energia (2 ATP por glicose) é muito menor do que o que pode ser obtido pela oxidação completa do piruvato a CO2 na mitocôndria (cerca de 30 ATP por glicose). Portanto, para fazer a mesma quantidade de ATP, as células tumorais devem captar muito mais glicose do que as células normais, convertendo-a a piruvato e depois a lactato enquanto reciclam NADH. Em geral, quanto mais agressivo é o tumor, maior é a taxa de glicólise. Com a alta velocidade de glicólise resultante, as células tumorais podem sobreviver em condições anaeróbias até que o suprimento de vasos sanguíneos alcance o tumor em crescimento. Essa dependência maior dos tumores pela glicólise em comparação aos tecidos normais sugere uma possibilidade de terapia anticâncer: inibidores da glicólise poderiam atingir e matar tumores por esgotar seu suprimento de ATP Inibidores que privariam as células tumorais de ATP glicoliticamente produzido, mas também evitam a formação de pentoses-fosfato pela via das pentoses-fosfato, que também inicia com glicose-6-fosfato. Na ausência de pentoses-fosfato, a célula não consegue sintetizar os nucleotídeos essenciais para a síntese de DNA e de RNA, e assim não consegue crescer nem se dividir. A alta taxa glicolítica em células tumorais também tem utilidade para diagnósticos. As taxas relativas em que os tecidos captam glicose podem ser usadas em alguns casos para identificar a localização de tumores. Em tomografia por emissão de pósitrons (PET, de pósitron emission tomography), injeta-se nos pacientes um análogo inofensivo da glicose isotopicamente marcado que é captado, mas não metabolizado pelos tecidos. A extensão do seu acúmulo depende da sua taxa de captação e fosforilação, que, como citado anteriormente, costuma ser 10 ou mais vezes maior em tumores do que em tecidos normais. GLICONEOGÊNESE Em mamíferos, alguns tecidos dependem quase completamente de glicose para sua energia metabólica. Para o cérebro humano e o sistema nervoso, assim como para os eritrócitos, os testículos, a medula renal e os tecidos embrionários, a glicose do sangue é a principal ou a única fonte de combustível. Apenas o cérebro requer em média 120 g de glicose por dia – mais da metade de toda a glicose estocada como glicogênio nos músculos e no fígado. No entanto, o suprimento de glicose a partir desses estoques não é sempre suficiente; entre as refeições e durante períodos de jejum mais longos, ou após exercício vigoroso, o glicogênio se esgota. Para esses períodos, os organismosprecisam de um método para sintetizar glicose a partir de precursores que não são carboidratos. Isso é realizado por uma via chamada de gliconeogênese (“nova formação de açúcar”), que converte em glicose o piruvato e os compostos relacionados, com três e quatro carbonos. Em mamíferos, a gliconeogênese ocorre principalmente no fígado, e em menor extensão no córtex renal e nas células epiteliais que revestem internamente o intestino delgado. A glicose assim produzida passa para o sangue e vai suprir outros tecidos (como cérebro). Após exercícios vigorosos, o lactato produzido pela glicólise anaeróbia no músculo esquelético retorna para o fígado e é convertido a glicose, que volta para os músculos e é convertida a glicogênio. circuito chamado de ciclo de Cori. A glicólise e a gliconeogênese são mutuamente reguladas para prevenir o gasto operacional com as duas vias ao mesmo tempo. As vias são reguladas de forma que, quando o fluxo de glicose por meio da glicólise aumenta, o fluxo de piruvato em direção à glicose diminui, e vice-versa. Oxidação da glicose pela via das pentoses-fosfato A via oxidativa das pentoses-fosfato realiza a oxidação e a descarboxilação da glicose-6-fosfato produzindo as pentoses-fosfato. A ribose-5-fosfato é um precursor para a síntese de nucleotídeos e ácidos nucleicos. Tecidos em crescimento rápido e tecidos realizando biossíntese ativa de ácidos graxos, colesterol ou hormônios esteroides enviam mais glicose-6-fosfato para a via das pentoses-fosfato. Produção de glutationa. Defeitos genéticos de glicose-6 fosfatodesidrogenase (G6PD) Disfunção da geração de NADPH O defeito manifesta-se como hemólise das hemácias (anemia hemolítica) quando indivíduos suscetíveis são submetidos a estresse oxidativo em decorrência de infecção, de fármacos antimaláricos, como a primaquina, e das sulfonamidas, aspirina, ou quando consomem favas (favismo) Casos por ano: mais de 150 mil (Brasil) Condição que pode ser fatal METABOLISMO DO GLICOGÊNIO O glicogênio é o principal carboidrato de armazenamento nos animais, correspondendo ao amido nas plantas. Trata-se de um polímero ramificado de α-D-glicose. Ocorre principalmente no fígado e nos músculos, com presença de quantidades modestas no encéfalo. Cerca de 75% do glicogênio corporal total se encontram nos músculos. GLICOGÊNIO No fígado, a sua principal função consiste em fornecer glicose aos tecidos extra-hepáticos. No músculo, serve principalmente como fonte imediata de combustível metabólico para uso no próprio músculo. O glicogênio hepático atua como uma reserva para manter a concentração de glicose sanguínea em estado de jejum. A concentração hepática de glicogênio é cerca de 450 mmol/L equivalentes de glicose após uma refeição, caindo para cerca de 200 mmol/L após uma noite em jejum; depois de 12 a 18 horas de jejum, o glicogênio hepático está quase completamente esgotado. A glicogênese (biossíntese de glicogênio) ocorre principalmente nos músculos e no fígado O glicogênio é sintetizado a partir da glicose pela via da glicogênese. Ele é degradado por uma via distinta, a glicogenólise. As deficiências hereditárias de enzimas do metabolismo do glicogênio tanto no fígado quanto no músculo causam as doenças de armazenamento de glicogênio. GLICÓLISE Rendimento por glicose: 2 ATPs e 2 NADH RESPIRAÇÃO CELULAR Processo molecular por meio do qual as células consomem O2 (e produzem CO2). Processo responsável pela grande maioria do ATP produzido no catabolismo. Três estágios principais da respiração celular 1.Produção de acetil-CoA, a partir de moléculas combustíveis orgânicas 2.Oxidação da acetil-CoA Ciclo do ácido cítrico/ ciclo de Krebs 3.Transferência de elétrons e fosforilação oxidativa. O catabolismo de proteínas, gorduras e carboidratos durante os três estágios da respiração celular: Este fluxo de elétrons promove a produção de ATP. Oxidação do piruvato Rendimento: 1 NADHTotal : 2 NADH (considerando 2 piruvatos por glicose) Ciclo do Ácido Cítrico (Ciclo de Krebs) Rendimento por rodada:3 NADH1 FADH21 GTP (ou ATP). A energia liberada é conservada nos transportadores de elétrons reduzidos NADH e FADH2. OBS: Considerar 2 rodadas por glicose O ciclo do ácido cítrico é anfibólico, servindo ao catabolismo e ao anabolismo. Intermediários do ciclo servem como precursores para uma ampla variedade de produtos ex. ácidos graxos, esteróis, alguns aminoácidos, glicose e etc. Estagio 3: transferência de eletron e fosforilação oxidativa É responsável pela maior parte do ATP sintetizado, na maior parte do tempo. Durante a fosforilação oxidativa os elétrons derivados do NADHe do FADH2 combinam-se com O2, e a energia liberada dessas reações de oxidorreduçãoé usada para a síntese de ATP Papel da cadeia respiratória das mitocôndrias na conversão da energia de alimento sem ATP CREATINA E FOSFOCREATINA O músculo esquelético, tem uma fonte adicional de ATP, a fosfocreatina, que durante atividade física intensa regenera ATP rapidamente a partir de ADP. Os fisiculturistas que estão formando massa muscular têm uma grande necessidade de creatina e comumente consomem suplementos com creatina de até 20g por dia por poucos dias, seguida de doses de manutenção mais baixas. A combinação do exercício com a suplementação de creatina aumenta a massa muscular e aumenta o desempenho no trabalho de alta intensidade e curta duração. REGULAÇÃO DA GLICEMIA A glicose sanguínea é derivada da: dieta, gliconeogênese e glicogenólise A concentração de glicose no sangue é regulada por mecanismos metabólicos e hormonais A manutenção da concentração da glicose sanguínea estável é um dos mecanismos homeostáticos regulados com mais precisão, envolvendo o fígado, os tecidos extra hepáticos e diversos hormônios. Os principais hormônios envolvidos na regulação da glicemia são: Insulina: Imediatamente após uma refeição rica em carboidratos, a glicose que é absorvida, para corrente sanguínea, causa rápida secreção de insulina. A insulina, por sua vez, causa rápida absorção, armazenamento e uso de glicose por quase todos os tecidos do corpo, mas principalmente pelos músculos, tecido adiposo e fígado. Glucagon: hormônio secretado quando a concentração de glicose no sangue cai, tem várias funções que opostas às da insulina. A mais importante destas funções é aumentar a concentração de glicose no sangue, um efeito que é exatamente o oposto de insulina. Níveis aceitáveis de glicemia de acordo com as Diretrizes da Sociedade Brasileira de Diabetes Patologias associadas ao metabolismo de carboidratos · Diabetes mellitus (DM) Consiste em um distúrbio metabólico caracterizado por hiperglicemia persistente, decorrente de deficiência na produção de insulina ou na sua ação, ou em ambos os mecanismos, ocasionando complicações em longo prazo. O diabetes melito não é caracterizado apenas pela presença de hiperglicemia, mas também pela ocorrência de outras complicações tardias. · Microangiopatia é caracterizada por anormalidades nas paredes de pequenos vasos sanguíneos. Está associada com descontrole glicêmico. · Retinopatia pode levar à cegueira, devido à hemorragia advinda da proliferação de vasos na retina, e maculopatia, como resultado de exsudatos dos vasos ou edema afetando a mácula · Nefropatialeva à insuficiência renal. · Neuropatia Pode tornar-se evidente por diarreia, hipotensão postural, impotência, bexiga neurogênica e úlceras neuropáticas nos pés, advindas da microangiopatiados vasos sanguíneos nervosos e do metabolismo anormal de glicose nas células nervosas. · Macroangiopatia Conhecido também como aterosclerose acelerada, leva à doença coronária prematura. Aproximadamente 60% dos pacientes de diabetes morrem de doença vascular e 35% de doença coronária. Cegueira e insuficiência renal crônica são, respectivamente, 25 e 17 vezes mais comuns em pacientes diabéticos do que nos demais. Existem evidências crescentes de que o controle glicêmico rígido pode retardar o aparecimento dessas sequelas 2
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