Carboidratos: Funções e Classificação

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Carboidratos
Carboidratos, também conhecidos como hidratos de carbono, são as biomoléculas mais abundantes na natureza, constituídas
principalmente por carbono, hidrogênio e oxigênio, podendo apresentar nitrogênio, fósforo ou enxofre em sua composição.
Apresentam como fórmula geral: [C(H2O)]n, daí o nome "carboidrato", ou "hidratos de carbono" e são moléculas que
desempenham uma ampla variedade de funções.
Funções dos carboidratos: dentre as diversas funções atribuídas aos carboidratos, a principal é a energética. Também
atuam como elementos estruturais e de proteção na parede celular das bactérias, fungos e vegetais, bem como em tecidos
conjuntivos e envoltório celular de animais. Agem como lubrificantes das articulações esqueléticas e fornecem coesão entre
as células. Podem funcionar como sinalizadores celulares. Alguns carboidratos, como a ribose e a desoxirribose, fazem parte
da estrutura de nucleotídeos e dos ácidos nucléicos.
Classificação dos carboidratos: os carboidratos são classificados de acordo com o número de moléculas em sua
constituição como monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos.
Monossacarídeos: são carboidratos com reduzido número de átomos de carbono
em sua molécula. O "n" da fórmula geral (CnH2nOn) pode variar de 3 a 7 (trioses,
tetroses, pentoses, hexoses e heptoses), sendo os mais importantes as pentoses
(C5H10O5) e as hexoses (C6H12O6). São relativamente pequenos, solúveis em
água e não sofrem hidrólise. Nessa classe, se inclui a glicose, o mais importante
combustível para a maioria dos seres vivos, componente dos polissacarídeos mais
importantes, como o amido e a celulose.
Oligossacarídeos: são carboidratos resultantes da união de duas a dez moléculas
de monossacarídeos. A ligação entre os
monossacarídeos ocorre por meio de
ligação glicosídica, formada pela perda de
uma molécula de água. O grupo mais
importante dos oligossacarídeos são os
dissacarídeos, formados pela união de
apenas dois monossacarídeos.
Polissacarídeos: são carboidratos grandes, às vezes ramificados, formados pela união de mais de dez monossacarídeos
ligados em cadeia, constituindo, assim, um polímero de monossacarídeos, geralmente de hexoses. São insolúveis em água e,
portanto, não alteram o equilíbrio osmótico das células. Os polissacarídeos possuem duas funções biológicas principais, como
reserva energética e como elementos estruturais.
- Polissacarídeos de reserva energética: o amido é o polissacarídeo de reserva energética dos vegetais; O
glicogênio é o polissacarídeo de reserva energética animal. Amido e glicogênio são formados por milhares de
moléculas de glicose e para serem aproveitados no metabolismo energético são transformados em moléculas de
glicose.
- Polissacarídeos estruturais: a celulose é o polissacarídeo presente na membrana celulósica das células vegetais;
nos artrópodes, o polissacarídeo quitina é um material impermeabilizante do exoesqueleto, garantindo boa adaptação
à vida terrestre; A heparina também é um importante polissacarídeo que atua na circulação como anticoagulante,
principalmente em regiões de grande irrigação como pulmões e fígado.
DIGESTÃO, ABSORÇÃO E TRANSPORTE
Digestão e absorção de Carboidratos: Os principais sítios de digestão de carboidratos da dieta são a boca e o lúmen
intestinal. Durante a mastigação a α-amilase salivar atua brevemente sobre o amido e glicogênio da dieta, de maneira
aleatória, hidrolisando algumas ligações α (1-4) pela ação da endoglicosidase, os seres humanos não produzem enzimas para
a digestão de ligações β(1-4) este é o motivo pelo qual não digerimos a celulose. A digestão dos carboidratos cessa
temporariamente no estômago, porque a elevada acidez inativa a α-amilase salivar. Dentro do intestino delgado os
movimentos peristálticos continuam movendo o quimo ao longo do intestino delgado onde a digestão do carboidrato é
finalizada através das secreções pancreática e intestinal. As enzimas do pâncreas entram no duodeno através de um ducto e
contém a amilase pancreática, responsável pela continuidade do processo do desdobramento do amido e da maltose. Já as
secreções intestinais contêm três enzimas distintas, as dissacaridases: sacarase, lactase e maltase, que atuam sobre os
dissacarídeos para render os monossacarídeos glicose, frutose e galactose para a absorção.
PIRÂMIDE ALIMENTAR
A Pirâmide Alimentar é um tipo de gráfico que sistematiza os alimentos de acordo com suas funções e seus nutrientes.
Importante ressaltar que a principal finalidade dessa organização, consiste em fornecer informações acerca de uma
alimentação saudável e equilibrada.
A estrutura da pirâmide alimentar indica os alimentos considerados essenciais para a nossa saúde, apresentando aqueles que
fornecem os nutrientes necessários para uma vida saudável e para prevenção de doenças.
Na Pirâmide Alimentar, os alimentos são classificados em oito grupos, a saber:
Grupo 1: Carboidratos
Representa a base da pirâmide, indicando os alimentos que fornecem energia, pois ao serem consumidos os carboidratos são
convertidos em açúcar no sangue.
O consumo na forma integral é recomendado pelo número de fibras, vitaminas e minerais que deixam essa absorção mais
lenta. As principais fontes de carboidrato são: arroz, pão, batata, massa, mandioca, cereais, etc.
Grupo 2: Verduras e Legumes
Está acima da base da pirâmide, representando as fontes de fibras, vitaminas e minerais que ajudam no controle e
funcionamento do corpo.
O consumo de verduras e legumes melhora o hábito intestinal. Alguns alimentos deste grupo são: brócolis, couve, repolho,
abobrinha, etc.
Grupo 3: Frutas
As frutas estão ao lado das verduras e legumes, representando outro tipo de fonte de fibras, vitaminas e minerais.
A frutose (açúcar da fruta) aumenta o nível de açúcar no sangue de forma rápida. Alguns exemplos de frutas são: abacaxi,
maçã, banana, kiwi, caju, acerola, etc.
Além das opções tradicionais, as frutas exóticas se tornam uma opção para variar as frutas consumidas.
Grupo 4: Leite e derivados
Localizado na parte intermediária da pirâmide, o leite e seus derivados são uma excelente fonte de cálcio, que é essencial
para a constituição óssea e dos dentes.
Além disso, também fornecem proteínas ao organismo. Os principais alimentos deste grupo são: queijo, leite, iogurtes, etc.
Grupo 5: Carnes e Ovos
Assim como os leites e derivados, este grupo está na parte intermediária da pirâmide e representa a fonte de proteína de
origem animal.
Os alimentos deste grupo têm como característica serem ricos em ferro e vitaminas B6 e B12, prevenindo anemias. Os
principais alimentos deste grupo são: peixe, frango, carne, ovos, etc.
Grupo 6: Leguminosas e oleaginosas
As leguminosas completam a parte intermediária da pirâmide, representando as fontes de proteína vegetal. Também são
excelentes fontes de fibras. Compõem esse grupo: feijão, soja, lentilha, grão de bico, castanhas etc.
Além das opções tradicionais, as frutas exóticas se tornam uma opção para variar as frutas consumidas.
Grupo 7: Óleos e Gorduras
Os óleos e gorduras fazem parte do topo da pirâmide. Os alimentos deste grupo são fontes de energia e são responsáveis
pelo transporte de vitaminas do complexo. B.
São ricos em calorias e seu consumo deve ser controlado. São alimentos desse grupo: azeite, manteiga, óleo de soja, etc.
Grupo 8: Açúcares e Doces
Dividindo o topo da pirâmide alimentar, estão os açúcares e doces. São alimentos ricos em carboidratos simples, não
possuem fibras e apresentam poucos nutrientes.
Seu consumo deve ser moderado. Os alimentos que compõem esse grupo são: açúcar, mel, chocolate, sorvete, bolo, etc.
Além disso, são divididos em quatro níveis:
- Alimentos Energéticos: Grupo 1
- Alimentos Reguladores: Grupos 2 e 3
- Alimentos Construtores: Grupos 4, 5 e 6
- Alimentos Energéticos Extras: Grupos 7 e 8
A despeito da água não fazer parte da pirâmide
alimentar tradicional, os nutricionistas recomendam
a ingestão diária de no mínimo 2 litros.
Para eles, a água aparece na base da pirâmide,
configurando o alimento mais essencial para oser
humano.
Nova Pirâmide Alimentar Brasileira
Em 2013, o Brasil passou a ter uma nova Pirâmide
Alimentar com diversas reformulações. Essa
mudança esteve relacionada com a quantidade, o
tipo e a distribuição dos alimentos, visto que a
obesidade tem sido um problema recorrente e
preocupante para os estudiosos.
A nova Pirâmide Alimentar propõe a diminuição de
calorias (de 2500 para 2000 calorias diárias) e
diminuição do tempo entre as refeições (a cada 3
horas). Ademais, inclui a realização de 30 minutos
diários de atividade física.
MACRO, MICRO E OLIGOELEMENTOS
Os macroelementos são aqueles essenciais para a vida, ou seja, precisam estar em quantidades satisfatórias em nosso
corpo para termos uma vida saudável. Sódio (Na), Potássio (K), Magnésio (Mg), Cálcio (Ca), Fósforo (P), Enxofre (S), Cloro
(Cl), todos eles são considerados macroelementos.
Microelementos também são importantes para a manutenção da vida, só que em quantidades menores. Também conhecidos
como elementos-traço, são considerados tão essenciais como as vitaminas. Entre eles podemos citar: Selênio (Se), Cobre
(Cu), Zinco (Zn), Flúor (F), Manganês (Mn).
Se for comparada a necessidade corpórea de cada uma dessas classes podemos dizer: os macroelementos são aqueles cuja
necessidade diária na alimentação é superior a 100 mg, e elementos traço aqueles que a quantidade diária necessária para o
organismo é inferior a 100 mg.
Também conhecidos como microminerais, os oligoelementos são um conjunto de elementos químicos inorgânicos
necessários aos seres humanos em pequenas quantidades, que desempenham diversas funções metabólicas no organismo,
principalmente na formação de enzimas vitais aos mais diversos processos bioquímicos realizados pelas células. São
adquiridos por meio de dietas balanceadas e diversificadas.
Elemento. Funções. Fontes. Consequências da Deficiência.
Cobalto: Um dos componentes da vitamina B12, essencial para a produção das hemácias. Carnes e laticínios. Distúrbios
nervosos e anemia perniciosa decorrentes da carência de vitamina B12.
Ferro: Componente da hemoglobina, mioglobina e enzimas respiratórias; é fundamental para o processo de respiração
celular, pois se liga ao O2 levando-o até as células e ao CO2 para devolvê-lo ao exterior. Fígados, gema de ovo, legumes,
nozes e vegetais verdes. Anemia ferropriva.
Iodo: Componente dos hormônios da tireoide, que estimulam o metabolismo, diferenciação fetal. Frutos do mar, sal de
cozinha iodado e laticínios. Hipotireoidismo, bócio e detenção do crescimento fetal
Zinco: Integrante de dezenas de enzimas, muitas delas envolvidas na digestão. Vegetais, carnes, pescados, fígado, ostras e
cereais integrais. Atraso do crescimento, diminuição da capacidade de cicatrização.
Selênio: Contribui para a ação de enzimas que combatem o câncer e confere elasticidade aos tecidos. Carnes de aves, limão,
moluscos, fígado e leguminosas. Alterações musculares e cardíacas.
Cromo: Importante para o metabolismo energético, potencializa o efeito da insulina. Cereais integrais, frutas cítricas,
azeitonas e levedos de cerveja. Diminuição da tolerância à glicose, neuropatia periférica.
Molibdênio: Indispensável para a ativação de algumas enzimas, atuando como cofator. Cereais integrais, leite e leguminosas.
Síndrome de intoxicação por sulfito.
Cobre: Componente de várias enzimas, essencial para a síntese de hemoglobina, favorece o sistema imunitário. Fígado,
ovos, peixes, trigo integral e feijão. Anemia, neutropenia, desmineralização óssea, alteração do cabelo e hipotermia
Flúor: Importante componente dos ossos e dentes, protege os dentes contra cáries. Água fluorada, crustáceos, grãos e
peixes. Cárie dentária e osteoporose
Manganês: É necessário para a ativação de diversas enzimas. Cereais integrais, gemas de ovo, carnes, nozes, frutos secos e
vegetais verdes.
Os oligoelementos, embora sejam obtidos através da alimentação, em alguns casos, seu consumo pode não ser suficiente,
sendo, portanto, necessário a aquisição de suplementos alimentares, medicamentos que repõem as reservas de nutrientes no
organismo. É importante ressaltar que os suplementos devem ser ministrados apenas sob prescrição médica.
ANABOLISMO E CATABOLISMO
Anabolismo e catabolismo são dois tipos de reação bioquímica que fazem parte do metabolismo humano.
O anabolismo refere-se ao processo que constrói moléculas complexas a partir de moléculas simples, consumindo energia
para isso. Já o catabolismo é o conjunto de reações envolvidas na degradação ou quebra de moléculas complexas em
moléculas menores. Esse processo geralmente fornece energia para o organismo.
Ou seja, o anabolismo é um processo construtivo, enquanto o catabolismo é um processo destrutivo.
Anabolismo Catabolismo
Definição
Anabolismo é o processo metabólico que
sintetiza moléculas complexas por meio de
substâncias simples.
Catabolismo é o processo metabólico que decompõe
moléculas complexas, transformando-as em moléculas
menores.
Metabolism
o É a fase construtiva do metabolismo. É a fase destrutiva do metabolismo.
Energia Consome energia. Produz energia.
Efeitos no
exercício
Os exercícios anabólicos aumentam a massa
muscular. Geralmente são exercícios
anaeróbicos.
Os exercícios catabólicos utilizam o alimento
armazenado para gerar energia, por isso ele queima
gordura e calorias. Geralmente são exercícios aeróbicos.
Hormônios
relacionado
s
Estrogênio, testosterona, hormônio do
crescimento, insulina, etc. Adrenalina, cortisol, glucagon, citocinas, etc.
Quando
ocorre Principalmente durante o repouso. É mais funcional durante as atividades físicas.
Processo
energético
Durante o anabolismo a energia cinética é
convertida em energia potencial.
Durante o catabolismo, a energia potencial é convertida
em energia cinética.
Exemplos
de
processo
- Fotossíntese em plantas;
- Síntese de proteínas;
- Síntese de glicogênio;
- Assimilação em animais.
- Digestão;
- Respiração celular;
- Excreção.
O anabolismo é o conjunto de reações envolvidas na síntese de moléculas complexas, a partir de moléculas simples. Esse
processo requer energia, e pode ser estimulado pela prática de exercícios e por uma alimentação rica em proteínas.
A construção de tecidos e o ganho de massa muscular são dois processos anabólicos básicos. Já no nível celular, um
exemplo de processo anabólico é a sintetização de proteínas por meio de aminoácidos
Alguns dos hormônios envolvidos no processo de anabolismo são:
- Insulina;
- Estrogênio;
- Testosterona;
- Hormônio de crescimento
- Esteroides.
O catabolismo é o conjunto de reações envolvidas na quebra de moléculas complexas em moléculas simples.
Essas reações liberam energia para o organismo, que posteriormente poderão ser usadas no processo anabólico. Alguns
resíduos celulares como ureia, dióxido de carbono e amônia também são produzidos durante o catabolismo.
O principal processo catabólico é a digestão, onde as substâncias ingeridas pelo corpo são divididas em componentes mais
simples. No nível celular, podemos citar a quebra de proteínas para a formação de aminoácidos, ou de glicogênio para a
formação de glicose.
Alguns dos hormônios envolvidos no processo catabólico são:
- Adrenalina;
- Cortisol;
- Glucagon;
- Citocinas.
Exercícios anabólicos
Os exercícios anabólicos são aqueles que constroem massa
muscular. Alguns exemplos são os exercícios de resistência e
força.
Essas atividades forçam o corpo a utilizar suas reservas imediatas
de energia. Além disso, para se preparar para um novo esforço, o
corpo irá aumentar sua massa muscular, fortalecer os ossos e
aumentar suas reservas de proteínas sintetizando aminoácidos.
Exercícios catabólicos
Exercícios catabólicos geralmente são aeróbicos, ou seja, eles
consomem oxigênio e ajudam na queima de calorias.
Alguns exemplos são exercícios de intensidade moderada que são realizados em um intervalo maior de tempo, como ciclismo,
dança e natação.
Vias Metabólicas
GLICÓLISE
A concentração de glucose na corrente sanguínea é mantida a níveis sensivelmente constantes de cerca de 4-5 mM. A
glicose entranas células por difusão facilitada. Este processo não permite a acumulação na célula de concentrações de
glicose superiores às existentes no sangue, pelo que a célula deve ter um processo para acumular glucose no seu interior. Isto
é feito por modificação química da glicose pela enzima hexocinase:
A membrana celular é impermeável à glucose-6-fosfato, que pode por isso ser acumulada na célula. A glucose-6-fosfato será
utilizada na síntese do glicogénio (uma forma de armazenamento de glucose) , para produzir outros compostos de carbono na
via das pentoses fosfato, ou degradada para produzir energia - glicólise.
Para poder ser utilizada na produção de energia, a glucose-6-fosfato é primeiro isomerizada a frutose-6-fosfato. A
frutose-6-fosfato é depois fosforilada a frutose-1,6-bisfosfato numa reação catalisada pela fosfofrutocinase. Este é o ponto de
não-retorno desta via metabólica: a partir do momento em que a glicose é transformada em frutose-1,6-bisfosfato já não pode
ser usada em nenhuma outra via.
Seguidamente, numa reação inversa da adição aldólica, a frutose-1,6-bisfosfato é clivada em duas moléculas de três carbonos
cada:
Estas duas moléculas (dihidroxiacetona fosfatada e gliceraldeído-3-fosfato) são facilmente interconversíveis por isomerização.
Portanto, basta uma via metabólica para degradar as duas. É por esta razão que a glucose-6-P foi isomerizada a frutose-6-P:
a clivagem da glucose pela reacção inversa da condensação aldólica daria origem a duas moléculas bastante diferentes, de
dois e quatro átomos de carbono, respectivamente, que exigiriam duas vias metabólicas diferentes para a sua degradação.
Os aldeídos têm potenciais de oxidação redução bastante baixos (cerca de -600 a -500 mV). A reação de oxidação do
gliceraldeído-3-fosfato pelo NAD+ (E0=-320 mV) é portanto bastante espontânea. É uma reação tão exergónica que pode ser
usada para produzir ATP (a produção de ATP a partir de ADP e Pi pode ser realizada se existir uma diferença de potencial de
cerca de 180 mV). A produção de ATP é feita em dois passos. No primeiro, dá-se a oxidação do gliceraldeído-3-fosfato e a
fosforilação do ácido produzido.
Os ácidos fosforilados (tal como os fosfoenóis e os fosfoguanidinos) têm grupos fosfatos bastante energéticos: a saída do
grupo fosfato dá origem a espécies muito mais estabilizadas por ressonância. O grupo fosfato do carbono 1 do
1,3-bisfosfoglicerato pode por isso ser transferido para ADP, produzindo ATP.
O 3-fosfoglicerato é isomerizado a 2-fosfoglicerato, que depois de desidratado (i.e. perder H2O) dá origem a um fosfoenol:
Devido ao seu elevado potencial de transferência de fosfato o fosfoenolpiruvato pode transferir um fosfato ao ADP:
Na glicólise gastam-se portanto dois ATP, e produzem-se quatro ATP. O NAD+ tem de ser regenerado, caso contrário a
glicólise pára, uma vez que é substrato de uma das reacções. Em condições aeróbicas, o NADH transfere os seus electrões
para a cadeia transportadora de electrões. Na ausência de O2 o NADH transfere os seus electrões para o próprio piruvato,
dando origem a lactato. É o que se denomina fermentação : um processo em que o aceitador final dos electrões provenientes
da degradação é um produto orgânico da própria degradação.
CICLO DE KREBS
O piruvato produzido na glicólise ainda contém bastante poder redutor (verifique o estado de oxidação de cada um dos seus
carbonos e compare-o com o estado de oxidação do carbono no CO2). Este poder redutor vai ser aproveitado pela célula no
ciclo de Krebs. Em primeiro lugar, o piruvato é utilizado para produzir acetil-CoA, que é uma forma ativada de acetato
(CH3COO-)
Nesta reacção intervém a piruvato desidrogenase. É uma enzima bastante complexa, que contém bastantes cofatores:
lipoamida, FAD, coenzima A. A hidrólise da ligação tioéster (S-C=O) do acetil-CoA é bastante exergónica, pelo que a sua
formação exige energia. Essa energia provém da descarboxilação do piruvato (note que o piruvato tinha três carbonos e a
porção acetil do acetilCoA apenas possui dois: o grupo carboxilato migrou como CO2). A energia proveniente de
descarboxilações é frequentemente usada pela célula para empurrar um equilíbrio no sentido da formação de produtos, como
se verá em várias reações do ciclo de Krebs e na gliconeogênese.
Na primeira reação do ciclo de Krebs, o acetil-CoA é adicionado a oxaloacetato, dando origem a citrato, numa reação de
adição aldólica. A hidrólise do tioéster ajuda a deslocar o equilíbrio no sentido da formação de produtos:
O citrato é depois isomerizado a isocitrato. Este é então descarboxilado a a-cetoglutarato. Se o citrato não tivesse sido
isomerizado a isocitrato antes da descarboxilação, esta produziria um composto de carbono ramificado, mais difícil de
metabolizar.
Tal como o piruvato, o a-cetoglutarato é um a-cetoácido, i.e., possui um grupo carbonilo adjacente ao grupo ácido carboxílico.
É portanto de prever que reaja exatamente como o piruvato, i.e., que a sua descarboxilação forneça energia suficiente para
que se forme uma ligação tioéster com a coenzima A. E é isto que de facto ocorre... A enzima responsável por esta reacção, a
a-cetoglutarato desidrogenase, é aliás bastante análoga à piruvato desidrogenase na sua composição e cofactores.
A ligação tioéster do succinil-CoA é, como todas as ligações tioéster, bastante energética.A sua hidrólise vai constituir o único
ponto do ciclo de Krebs onde ocorre produção direta de ATP (ou equivalente).
O succinato é, tal como o oxaloacetato, um produto com quatro carbonos. A parte final do ciclo de Krebs consiste em
regenerar o oxaloacetato a partir do succinato. O succinato é primeiro oxidado a fumarato, pelo complexo succinato
desidrogenase (também denominado complexo II), que se encontra na face matricial da membrana interna da mitocôndria. A
oxidação de ligação simples a dupla (alcanos a alcenos) têm um potencial demasiado elevado para que os electrões possam
ser aceites pelo NAD+ (E0=-320 mV). A célula utiliza portanto FAD (E0= 0 mV)como aceitador destes electrões. A hidratação do
fumarato produz malato, que depois é oxidado a oxaloacetato, completando o ciclo. Uma sequência semelhante de reações
ocorre na b-oxidação dos lípidos.
O resultado do ciclo de Krebs é portanto:
Acetil-CoA + oxaloacetato + 3 NAD+ + GDP + Pi +FAD --> oxaloacetato + 2 CO2 + FADH2 + 3 NADH + 3 H+ + GTP
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
Os electrões libertados pela oxidação de substratos são transferidos pelas enzimas para moléculas especiais: os aceitadores
de electrões. Os aceitadores de elétrons podem ser de vários tipos, e os mais comuns são o NAD+ e o FAD. Cada uma destas
moléculas pode receber dois elétrons, transformando-se respectivamente em NADH+H+ e FADH2. Como as quantidades de
NAD+ e FAD na célula são muito pequenas, é necessário haver mecanismos para transformar o NADH+H+ e FADH2 de novo
em NAD+ e o FAD. Isto é feito por transferência dos electrões do NADH+H+ e FADH2 para outras moléculas, o que pode
ocorrer por fermentação ou respiração. A distinção entre estes não é (ao contrário do que geralmente se pensa) o facto de um
utilizar O2 e o outro não!
Fermentação
Na fermentação, a molécula que recebe os electrões do NADH (ou FADH2) é um produto da mesma via metabólica que
produziu o NADH (ou FADH2). Por exemplo, nos músculos, durante exercício físico intenso, o NADH produzido na glicólise
transfere os seus electrões para o piruvato (uma molécula orgânica produzida também pela glicólise), dando origem a lactato.
(A relação entre a descida do pH dos músculos durante a produção do lactato e a ocorrência de cãibras é discutida em
pormenor nestes dois artigos). Esta é a fermentação láctica . Existem muitos outros tipos de fermentação em
microorganismos, sendo o mais conhecido a fermentação alcoólica:
Respiração
Na respiração, a molécula que recebe os electrões do NADH (ou FADH2) não é um produto da mesma via metabólica que
produziu o NADH (ou FADH2). Existem microorganismos que utilizam como aceitador de electrões SO42-, SeO42- ,NO3-, NO2-,
NO, U6+ (urânio), Fe3+,H+, etc. Os mamíferos utilizam O2, e a sua respiração é por isso chamada respiração aeróbica. A
respiração aeróbica ocorre na membrana interna da mitocôndria, que contém os complexos proteicos de transferência
eletrônica. Cada um destes complexos recebe electrões de uma molécula e transfere-os para outra molécula diferente, e o
conjunto chama-se por isso cadeia transportadora de electrões:
● NADH desidrogenase ou complexo I. Em mamíferos é constituído por mais de vinte cadeias polipeptídicas, de muitas
das quais não se conhece a função. Este complexo recebe os dois electrões do NADH+H+ e transfere-os através de
agregados de Fe-S para uma molécula lipofílica a ubiquinona (Q), que se transforma então em ubiquinol (QH2). Neste
complexo a transferência de electrões para a ubiquinona liberta energia suficiente para transportar prótons (H+) da
matriz mitocondrial para o espaço intermembranar, o que faz diminuir o pH do espaço intermembranar em relação à
matriz.
● Sucinato desidrogenase ou complexo II. É a única enzima do ciclo de Krebs que não se encontra na matriz
mitocondrial. Oxida succinato a fumarato, e transfere os dois electrões para uma molécula de FAD, que é reduzida a
FADH2. Posteriormente estes electrões são transferidos para a ubiquinona, tal como acontece no complexo I.
● Citocromo bc1 ou complexo III. Recebe os electrões do ubiquinol produzido pelos complexos I e II, e transfere-os para
o citocromo c, uma pequena proteína solúvel presente no espaço intermembranar.
● Citocromo c oxidase ou complexo IV. Transfere quatro electrões para o O2, reduzindo-o a duas moléculas de água.
Estes electrões provêm de outras tantas moléculas de citocromo c.
Nos complexos I, III e IV a transferência eletrônica liberta energia suficiente para transportar H+ da matriz mitocondrial para o
espaço intermembranar. Isto provoca um aumento da concentração de H+ (e do potencial elétrico) no espaço intermembranar,
i.e. um maior potencial químico do H+ no espaço intermembranar do que na matriz. No entanto, quando se têm duas soluções
de potencial químico diferente separadas por uma membrana, o soluto tem tendência para se deslocar do local onde o seu
potencial químico é maior para o local em que o seu potencial químico é menor (o que, para uma substância sem carga
eléctrica, é equivalente a mover-se dos locais de maior concentração para os de menor concentração).
No entanto, como a membrana interna da mitocôndria é impermeável ao H+, em condições normais a única forma destes
protões voltarem para a matriz é através de uma proteína especial: a ATP sintetase. Esta proteína é constituída por duas
partes: um canal intermembranar de protões (F0) e uma porção voltada para a matriz mitocondrial (F1). A porção F1 é
constituída por várias subunidades com diferentes funções, e usa a energia do movimento de protões de volta à matriz para
sintetizar ATP a partir de ADP e Pi.
A quantidade de ATP produzida pela ATP sintetase está por isso relacionada com a diferença de concentração de H+ através
da membrana. Uma vez que a oxidação do NADH provoca transferência de protões da matriz para o espaço intermembranar
em 3 complexos (I, III e IV) ao passo que a oxidação do FADH2 só provoca essa transferência em dois complexos (III e IV) a
quantidade de ATP produzida a partir do NADH é maior do que a produzida a partir do FADH2. São produzidos quase 3 ATP
por NADH e quase 2 ATP por cada FADH2.
O NADH não consegue atravessar a membrana da mitocôndria. Existem por isso processos para transferir os electrões do
NADH produzido no citoplasma durante a glicólise para a cadeia transportadora de electrões. Estes são:
● O vaivém do malato-aspartato (que também é importante na gluconeogénese: o NADH transfere os seus electrões ao
oxaloacetato. Este transforma-se em malato, que pode entrar na mitocôndria, onde é novamente transformado em
oxaloacetato, com formação de NADH dentro da mitocôndria. Este NADH transfere então os seus electrões para a
cadeia transportadora de electrões através do complexo I. Neste caso produzem-se aproximadamente 3 ATP por cada
NADH citoplasmático.
● O vaivém do glicerol-3-P. Neste vaivém, que é muito ativo no tecido adiposo castanho, o NADH citoplasmático
transfere os seus electrões à dihidroxiacetona-fosfato (DHAP), que é um intermediário da glicólise. Esta transforma-se
em glicerol-3-P, que pode doar os seus elétrons à ubiquinona através de uma glicerol-3-P desidrogenase situada na
face externa da membrana interna da mitocôndria. Neste caso produzem-se aproximadamente 2 ATP por cada NADH
citoplasmático.
É possível ocorrer respiração mitocondrial sem produção de ATP: basta arranjar uma forma de fazer com que os protões
regressem à matriz sem passarem pela ATP sintetase. Isto pode ser feito com ionóforos: moléculas lipossolúveis com
capacidade de transportar iões. São produzidas p. ex. por plantas, para se defenderem de fungos parasitas. No tecido adiposo
castanho, existe uma proteína (a termogenina) que funciona como canal de prótons na membrana interna da mitocôndria: o
regresso dos protões à matriz através dessa proteína em vez da ATP sintetase é responsável pela geração de calor
característica deste tipo de tecido.
GLICOGÊNESE
SÍNTESE DO GLICOGÊNIO
Logo que entra na célula, a glicose é fosforilada a glicose-6-P pela enzima hexocinase:
A membrana celular é impermeável à glucose-6-fosfato, que pode por isso ser acumulada na célula. A glucose-6-fosfato será
utilizada na síntese do glicogênio (uma forma de armazenamento de glicose), na síntese de outros compostos de carbono na
via das pentoses fosfato, ou degradada para produzir energia - glicólise.
Grandes quantidades de glucose-6-P dentro da célula provocam um aumento da pressão osmótica. Nessas condições a água
terá tendência a entrar para dentro da célula, provocando um aumento do seu volume e eventual lise. Por isso, a glucose-6-P
vai ser armazenada sob a forma de um polímero: o glicogênio. O glicogénio é um polissacarídeo pouco solúvel (e que portanto
não provoca aumento da pressão osmótica), bastante ramificado e constituído exclusivamente por monómeros de glucose
unidos entre si por ligações a-1,4 e a-1,6 (nas ramificações):
Para poder ser utilizada na síntese do glicogénio, a glucose-6-fosfato é primeiro isomerizada a glucose-1-fosfato, pela enzima
fosfoglicomutase.
A adição de glucose-1-P ao carbono 4' de uma extremidade da cadeia de glicogênio não é uma reação favorecida
termodinamicamente em condições fisiológicas, uma vez que o potencial de transferência de fosfato das ligações C-O-P
normais é bastante baixo. Por isso, a glucose-1-P vai ser ativada, i.e., vai ser transformada numa espécie com alto potencial
de transferência de fosfato. Isto é conseguido por reação com uridina trifosfatafa (UTP, uma molécula análoga do ATP, mas
com uridina no lugar da adenina).
Esta reacção, só por si, não parece ser termodinamicamente favorável, pelo que se poderia pensar que não teria utilidade. No
entanto, o pirofosfato (PPi) que se forma nesta reação pode ser hidrolisado, numa reação bastante exergónica. A eliminação
do PPi empurra o equilíbrio no sentido de formação da UDP-glucose, ilustrando mais uma vez o princípio da utilização de uma
reação bastante exergónica para tornar espontânea uma outra reação que de outra forma não seria favorecida
termodinamicamente.
A UDP-glucose tem um elevado potencial de transferência de fosfato, o que lhe permite doar glucose à extremidade 4' de uma
cadeia de glicogênio, numa reacção catalisada pela glicogênio sintase:
A glicogênio sintase só consegue adicionar glucose a cadeias de glicogênio pré-existentes, i.e., não é capaz de começar a
síntese de uma nova molécula de glicogénio. A síntese do glicogênio é iniciada pela adição de uma molécula de glucose a um
resíduo de tirosina de uma proteína denominada glicogenina.
As ramificações são realizadas por uma "enzima ramificadora". Esta atua sobre cadeias lineares de glicogênio com pelo
menos 11 glucoses. A enzima ramificadora (amilo(1,4 -->1,6)-transglicosilase) transferesegmentos terminais de glicogénio de
cerca de 7 resíduos de glucose para o grupo OH no carbono 6 de um resíduo de glucose (que pode estar na mesma ou noutra
cadeia). As ramificações devem estar a pelo menos 4 resíduos de distância uma da outra.
GLICOGENÓLISE
DEGRADAÇÃO DO GLICOGÊNIO
O glicogênio é degradado pela ação conjunta de três enzimas:
● Glicogénio fosforilase, que cliva uma ligação a(1-4) com fosfato inorgânico (Pi). Esta enzima só cliva resíduos de
glucose que estejam a mais de 4 resíduos de distância de uma ramificação. Utiliza piridoxal, um derivado da vitamina
B6, como cofator.
Uma molécula de glicogênio com ramos de apenas 4 glucoses (o que se denomina uma "dextrina-limite") não pode ser
degradada apenas pela glicogênio fosforilase. Necessita da acção da enzima seguinte:
● Enzima desramificadora do glicogênio: transfere três resíduos de glucose de uma ramo limite para outro ramo. O
último resíduo da ramificação (com uma ligação a(1-6)) é eliminado por hidrólise, dando como resultado glucose livre
e glicogênio desramificado. A hidrólise é catalisada pela mesma enzima desramificadora.
A glicogênio fosforilase é bastante mais rápida do que a enzima desramificadora, pelo que os ramos exteriores do glicogênio
são degradados muito rapidamente no músculo em poucos segundos quando é necessária muita energia. A degradação do
glicogênio para lá deste ponto exige a enzima desramificadora e é portanto mais lenta, o que explica em parte o facto do
músculo só poder exercer a sua máxima força durante poucos segundos.
● Fosfoglucomutase: catalisa a isomerização de glicose-1-P a glucose-6-P, e vice-versa:
A glucose 6-fosfato pode então ser utilizada na glicólise. Ao contrário do músculo, o fígado (e em menor extensão, o rim)
possui glucose-6-fosfatase, uma enzima hidrolítica que catalisa a desfosforilação da glucose 6-fosfato, o que lhe permite
fornecer glicose ao resto do organismo:
Regulação do metabolismo do glicogênio
A glicogênio fosforilase é ativada por uma sequência de reações de ativação desencadeadas pela ligação de uma hormona a
um receptor membranar específico. A hormona responsável pelo processo é diferente no fígado e no músculo, e isto está
relacionada com o diferente papel destes órgãos e com as enzimas neles presentes:
● O músculo não possui glucose-6-fosfatase, e não pode por isso transformar a glicose-6-P (que não pode sair da
célula)em glucose (que pode sair das células). O glicogênio do músculo é por isso uma reserva de glicose-6-P para
consumo póprio em situações de emergência. A sua degradação é estimulada pela ligação de uma hormona que
sinaliza situações de perigo: a adrenalina (também chamada epinefrina).
● O fígado possui glucose-6-fosfatase, e pode por isso transformar a glicose-6-P (que não pode sair da célula) em
glucose (que pode sair das células). O seu glicogênio é por isso uma reserva de glicose para utilização por outras
células em períodos de carência de glucose. A sua degradação é estimulada pela ligação de uma hormona libertada
pelo pâncreas quando os níveis de glucose no sangue estão baixos: o glucagon.
GLICONEOGÊNESE
Existem duas formas principais de manter os níveis de glucose no sangue entre as refeições: a degradação do glicogênio e a
gliconeogênese. A Gliconeogênese consiste na síntese de glucose a partir de outros compostos orgânicos (piruvato,
succinato, lactato, oxaloacetato, etc.). O processo é bastante semelhante ao inverso da glicólise. De facto, quase todas as
reações da glicólise são reversíveis em situações fisiológicas. As três excepções são as reacções catalisadas por:
● Piruvato cinase
● Fosfofrutocinase
● Hexocinase
Na gliconeogênese, cada um destes passos é substituído por reações termodinamicamente favoráveis. Desses três passos, a
síntese do fosfoenolpiruvato a partir do piruvato é o mais exigente em termos energéticos, por ter um DG bastante positivo.
Para ultrapassar esta barreira termodinâmica, esta reação vai ser acoplada a uma descarboxilação, uma estratégia usada
frequentemente pela célula para empurrar um equilíbrio no sentido da formação de produtos, como se verá em várias
reacções do ciclo de Krebs. Como quer o piruvato quer o fosfoenolpiruvato (PEP) são compostos com três carbonos, isto
implica uma carboxilação prévia, cuja energia provém da hidrólise do ATP. A descarboxilação do oxaloacetato assim formado
produz a energia necessária para a fosforilação do carbono 2 pelo GTP, dando origem ao fosfoenolpiruvato (numa reacção
catalizada pela fosfoenolpiruvato carboxicinase - PEPCK).
A enzima responsável pela carboxilação do piruvato (a piruvato carboxilase) existe na matriz mitocondrial, e contém biotina. O
oxaloacetato (OAA) formado nesta reação é incapaz de atravessar a membrana da mitocôndria. Pode sair da mitocôndria
apenas depois de transformado em malato ou aspartato. A escolha do processo depende da disponibilidade de NADH
(necessário para a gliconeogênese) no citoplasma. Se houver NADH suficiente no citoplasma (p.ex. se se estiver a realizar
gliconeogênese a partir do lactato) o oxaloacetato é transaminado a aspartato. Caso contrário, o OAA é reduzido a malato,
que sai da mitocôndria para o citoplasma, onde é novamente oxidado a OAA com produção simultânea de NADH. O OAA é
então descarboxilado a PEP pela PEPCK citoplasmática. Em humanos, existe também uma PEPCK mitocondrial.
As reações catalisadas pela fosfofrutocinase e pela hexocinase são substituídas na gliconeogênese por reações hidrolíticas.
Neste ponto, em vez de fosforilar ADP a ATP (o inverso da glicólise, mas desfavorecido termodinamicamente em condições
fisiológicas), ocorre a libertação do fosfato por hidrólise:
A frutose 1,6-bisfosfatase existe em quase todos os tecidos, mas a glucose-6-fosfatase existe apenas no fígado e no rim, o
que lhes permite fornecer glicose ao resto do organismo:
Durante o exercício físico intenso, o lactato produzido nos músculos é enviado para a corrente sanguínea, e pode ser utilizado
pelo fígado para sintetizar novas moléculas de glucose. Apesar de se gastarem no fígado 6 ATP por cada molécula de glucose
assim sintetizada, e de estas apenas gerarem 2 ATP no músculo em condições anaeróbicas, o processo é vantajoso pois
permite a manutenção do exercício (o que pode ser determinante para a sobrevivência do indivíduo, p. ex. permitindo escapar
a um predador, ou a continuação da perseguição a uma presa).
VIA DAS PENTOSES
Para realizar o seu anabolismo, a célula não precisa apenas de energia (ATP): também precisa de poder redutor, sob a forma
de NADPH. O NADPH é produzido durante a oxidação da glucose-6-P por uma via distinta da glicólise, a via das
pentoses-fosfato. Esta via é muito ativa em tecidos envolvidos na biossíntese de colesterol e de ácidos gordos (fígado, tecido
adiposo, córtex adrenal, glândulas mamárias). Esta via também produz ribose-5-P, o açúcar constituinte dos ácidos nucleicos.
A glIcose-6-P é primeiro oxidada no seu carbono 1, dando origem a uma lactona (um ácido carboxílico cíclico). Os electrões
libertados são utilizados para reduzir uma molécula de NADP+. O anel é então aberto por reacção com água:
A descarboxilação do gluconato liberta dois electrões, que vão reduzir outra molécula de NADP+. Obtém-se assim um açúcar
de 5 carbonos, a ribulose-5-fosfato, que por isomerização é transformado em ribose-5-P. (Na figura assinalam-se a verde as
diferenças entre os isómeros).
O que se passa a seguir depende das necessidades da célula: se a célula só precisar de NADPH e não precisar de ribose-5-P
esta poderá ser reaproveitada. Isto é feito através de 3 reacções. Na primeira, a ribose-5-P recebe dois carbonos da
xilulose-5-P (obtida por epimerização da ribulose-5-P):
Seguidamente, são transferidos três carbonos da sedoeptulose-7-P para o gliceraldeído-3-P:
Por transferência de dois carbonos da xilulose-5-P para a eritrose-4-P, forma-se outra molécula de frutose-6-P e uma molécula
de gliceraldeído-3-P:
O balanço destas últimas reacções é:
2 xilulose-5-P + ribose-5-P → 2 frutose-6-P + gliceraldeído-3-PA frutose-6-P e o gliceraldeído-3-P podem ser utilizados na glicólise para produção de energia, ou reciclados pela
gliconeogênese para formar novamente glucose-5-P. Neste último caso, através de seis ciclos da via das pentoses-fosfato e
da gliconeogênese, uma molécula de glucose-6-P pode ser completamente oxidada a seis moléculas de CO2 com produção
simultânea de 12 moléculas de NADPH. Quando as necessidades de ribose-5-P são superiores às de NADPH, esta pode ser
produzida por estas reações a partir de frutose-6-P e gliceraldeído-3-P.