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BIOQUÍMICA AULA 2 Profª Joana Rizzolo 2 CONVERSA INICIAL Você já parou para pensar em qual é a relação entre a cerveja, as dores musculares depois de uma atividade física intensa, a ingestão de uma batata e o crescimento de uma massa de pão? Por incrível que pareça, existe uma relação entre esses quatro exemplos aparentemente tão distantes, e é dela que vamos tratar neste estudo. Iniciaremos com uma breve retomada sobre a estrutura e o metabolismo dos sistemas biológicos. Na sequência, vamos nos aprofundar no metabolismo dos carboidratos, estudando suas etapas, caracterizando a glicólise e as estruturas que a compõem, o Ciclo de Krebs e a cadeia respiratória. Serão estudadas também as propriedades físicas e químicas e a importância das fermentações alcoólica, láctica e acética. Já estudamos a estrutura, a classificação e as funções dos carboidratos. Porém, para que possamos entender como as células utilizam os açúcares para gerar energia, por exemplo, devemos estudar as reações pelas quais os carboidratos passam, tanto para sua síntese como para sua degradação. Portanto, torna-se necessário conhecer seu metabolismo. Metabolismo é o nome dado aos processos pelos quais os sistemas vivos realizam suas reações bioquímicas, adquirem e usam energia. Essas reações podem ser: de degradação (catabolismo), um processo no qual os nutrientes são degradados em produtos finais simples para poder extrair energia química e convertê-la em formas úteis à célula; e de biossíntese (anabolismo), em que moléculas precursoras pequenas são convertidas em moléculas maiores e mais complexas, como mostra a figura a seguir. 3 Figura 1 – Vias metabólicas (anabolismo e catabolismo) e a relação energética entre ambas Fonte: Elaborada pelo autor. As vias de catabolismo liberam, além da energia química (ATP), os transportadores de energia que são utilizados nas vias anabólicas, ou seja, os elétrons são transportados de uma via para outra de forma cíclica. Os carboidratos passam por uma sequência de reações químicas catalisadas por enzimas, conforme veremos a seguir (glicólise, fermentação, Ciclo de Krebs e cadeia respiratória). Assim, pela glicose é iniciada a glicólise, etapa que faz parte dos dois processos gerais para a produção de energia: a respiração celular e a fermentação. TEMA 1 – COMPOSIÇÃO E ESTRUTURA DE SISTEMAS BIOLÓGICOS A Bioquímica é a ciência que estuda a composição e a estrutura das moléculas biológicas e o modo como elas são formadas, degradadas, como se associam formando sistemas complexos e como funcionam para manter a vida. Podemos analisar a estrutura dos sistemas biológicos em níveis organizacionais (Figura 2): • Células e suas organelas; • Complexos supramoleculares (por exemplo, a membrana plasmática); • Macromoléculas (as proteínas, por exemplo); • Unidades monoméricas (os aminoácidos, por exemplo). 4 Figura 2 – Níveis organizacionais dos sistemas biológicos Crédito: Aldona Gri/Designua/N.VINOTH N/Blackboard/VanDenBlin/Tefi/Shutterstock. TEMA 2 – GLICÓLISE A maioria dos organismos vivos oxida carboidratos como sua fonte primária de energia celular, sendo a glicose o carboidrato fornecedor de energia mais comum utilizado pelas células. Esse monossacarídeo é produzido pelas plantas, passa pela cadeia alimentar e é uma molécula que tem muita energia em suas ligações. Para que as células aproveitem essa energia, ela deve ser convertida em energia utilizável pela célula, ou seja, em ATP (adenosina trifosfato). O ATP é a mais importante molécula fornecedora de energia, formando com o ADP (adenosina difosfato) um sistema de transporte e armazenamento de energia. A respiração celular é iniciada pela quebra da glicose (glicólise), transferindo a energia dos alimentos para o ATP – por isso a respiração celular é também chamada de “síntese de ATP”; assim, a glicólise é o primeiro passo no catabolismo de carboidratos. Antes de estudarmos as etapas da glicólise, é importante conhecer alguns elementos que a compõem, como a nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD). Essa é uma coenzima que atua como carreador de elétrons e hidrogênio, ou 5 seja, que captura e carrega energia para ser utilizada na produção de ATP. Quando essa molécula não está capturando elétrons, está na sua forma oxidada (NAD+); quando captura elétrons e hidrogênio, passa para sua forma reduzida (NADH). A energia contida nos carreadores e as reações oxirredutoras permitem que uma composição estrutural engrenada extremamente aprimorada consiga produzir ATP de forma contínua. Toda energia sendo produzida ao longo da quebra da molécula de glicose vai sendo conservada no NAD e no FAD (flavina adenina dinucleotídeo), que vão levar essa energia para um sistema específico, que otimiza de forma completa essa utilização e produz, ao final, grandes quantidades de ATP. A glicólise acontece no líquido citoplasmático (citosol), não requer oxigênio e é obtida em uma série de dez reações químicas, cada uma catalisada por uma enzima diferente; essas etapas consistem em dois passos básicos – um passo preparatório e um passo compensatório de recuperação energética, os quais vamos estudar agora, e que podem ser observados na Figura 3. Mesmo que a glicose seja uma molécula que carrega muita energia, para que a glicólise produza ATP, é necessário um investimento energético inicial que será recuperado ao final, quando a conversão da glicose a piruvato é concluída. Assim, a glicose deve ser preparada recebendo 2 fosfatos (fosforilação), para tornar a molécula mais instável, aumentando a chance de as ligações entre seus átomos se desfazerem. Portanto, 2 moléculas de ATP são utilizadas na fosforilação da glicose para doar íons fosfato, originando o ADP, e a frutose 1,6 difosfato. Na próxima etapa ocorre a quebra da molécula frutose 1,6 difosfato, gerando 2 moléculas com 3 átomos de carbono cada (diidroxiacetona- fosfato/DHAP e glirealdeído-3-fosfato/GP). Apenas o GP segue na via glicolítica; portanto, para que a DHAP entre na via, precisa ser convertida em GP; ocorrendo essa conversão, as 2 moléculas de GP originadas seguirão na via como ácido 1,3-difosfoglicérico. Sendo assim, para cada molécula de glicose, o resultado será de 2 moléculas de ácido 1,3-difosfosfoglicérico. Essa reação de conversão a 1,3-difosfoglicérico é realizada pela oxidação do GP na transferência de 2 átomos de hidrogênio para NAD+, para formar NADH, e pela adição de um fosfato de alta energia (Pi) à molécula de açúcar. O Pi de alta energia é transferido ao ADP, formando ATP, a primeira produção de ATP da 6 glicólise. Do 3-fosfoglicerato temos a conversão em 2-fosfoglicerato e, logo, fosfoenolpiruvato, que é convertido em ácido pirúvico/piruvato. Figura 3 – Glicólise: representação das dez etapas da conversão da glicose em piruvato Fonte: Elaborada pelo autor. Portanto, a glicólise é constituída de dois passos (preparatório e compensatório), como já mencionado, em que inicialmente a glicose é preparada para quebra, aumentando sua energia, e as 2 moléculas de ATP são utilizadas; a fase compensatória consiste na oxidação das 2 moléculas de 3 carbonos, em várias etapas, em 2 moléculas de piruvato. Nessa segunda fase, 2 moléculas de 7 NAD+ são reduzidas a NADH e 4 moléculas de ATP são formadas, porém, resultando em um saldo positivo de 2 moléculas de ATP, pois 2 foram consumidas no início da glicólise. TEMA 3 – FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA, LÁTICA E ACÉTICA Após a glicólise, se houver a presença de O2, as 2 moléculas de piruvato formadas com base na glicose serão levadas para dentro da mitocôndria, e ocorrerá o processo de respiração celular; se a célula tiver carência de O2, o piruvato será fermentado. Temos então um processo metabólico de fermentação,que não utiliza O2, gera uma molécula orgânica, gás carbônico e 2 moléculas de ATP, conforme ilustrado na Figura 4. Figura 4 – Vias metabólicas dos diferentes destinos da glicose em condições anaeróbias e aeróbias Fonte: Elaborada pelo autor. 8 Fermentação é um processo metabólico que não requer, além do O2, um sistema de transporte de elétrons, e utiliza uma molécula orgânica com aceptor final de elétrons, sempre produzindo 2 ATP, com dedução de NAD, conforme equação a seguir. 1 glicose → 2 etanol + 2 CO2 + 2 ATP A equação demonstrada trata da fermentação para produção de etanol, que é muito utilizada na produção de bebidas alcoólicas, de etanol combustível (bioetanol) e na panificação; desse modo, o produto e a espécie de microrganismo (Saccharomyces cerevisiae) são os mesmos – o que muda é a fonte de carboidrato antes de ser tornar glicose. No processo de fermentação alcoólica, o piruvato é convertido a acetaldeído, com a perda de 1 molécula de CO2, para então ocorrer a conversão em 2 moléculas de etanol com 2 carbonos cada. Percebe-se que, dos 6 carbonos de 1 molécula de glicose, são formadas 2 moléculas de etanol e 2 moléculas de CO2, totalizando os 6 carbonos iniciais. O quadro abaixo mostra alguns exemplos de diferentes tipos de fermentações de acordo com a fonte inicial de substrato, com fabricação de diferentes produtos originados e suas diversas aplicações. Quadro 1 – Alguns usos industriais para diferentes tipos de fermentações Produto final da fermentação Uso comercial ou industrial Material inicial Etanol Cerveja Extrato de malte Vinho Uva Combustível Resíduos agrícolas Ácido acético Vinagre Etanol Ácido lático Queijo, iogurte Leite Chucrute Repolho Ácido propiônico Queijo Ácido lático Ácido cítrico Sabor Melaço Fonte: Elaborado pelo autor. Além do etanol e do ácido lático, o processo de fermentação pode gerar outras moléculas orgânicas, como ácido acético (vinagre), ácido propiônico, ácido málico e compostos aromáticos, extremamente requeridos na indústria alimentícia para produção de alimentos e bebidas, como queijos, cacau, café e iogurte (vide Quadro 1). É importante salientar que o que caracteriza as diferentes fermentações também são as espécies de microrganismos, pois quem produz o ácido lático, por exemplo, são bactérias do ácido lático (BAL), diferentemente dos 9 microrganismos responsáveis pela fermentação alcoólica, que são as leveduras, como já citado. A fermentação lática também ocorre nas células musculares quando as mitocôndrias não conseguem produzir ATP suficiente para todo o esforço que está sendo realizado. Assim, a célula inicia a fermentação lática para que rapidamente o organismo produza ATP, mesmo que em menor quantidade. Desse modo, a fermentação acontece com o intuito de liberar o NAD para buscar mais hidrogênio da quebra da glicose, sem utilização do O2. A acidificação provocada pelo ácido lático no músculo está relacionada com câimbra, fadiga e dores musculares, ou seja, a presença do ácido lático no músculo provoca dores, aquelas que sentimos quando realizamos algum tipo de esforço físico intenso e temos a impressão de que o músculo está “queimando”. Não podemos esquecer de que existem microrganismos que realizam respiração celular sem a presença de O2. A essa forma de geração de energia é dado o nome de “respiração anaeróbia”. O aceptor final de elétrons não será o oxigênio, mas sim compostos inorgânicos, como nitratos e sulfatos presentes no ambiente no qual essas bactérias vivem. Comparando com a fermentação, a respiração anaeróbia é um processo que não origina um composto orgânico; é mais rentável energeticamente, porém, menos rentável que a respiração aeróbia. TEMA 4 – CICLO DE KREBS O Ciclo de Krebs, também denominado “Ciclo do Ácido Cítrico”, compreende uma série de reações em sequência que ocorrem na matriz mitocondrial dos eucariotos e no citoplasma dos procariotos – lembrando que a mitocôndria tem duas membranas limitantes, a membrana externa e a membrana interna; essa última é pregueada, e essas pregas são denominadas “cristas mitocondriais”. O interior da mitocôndria é a matriz mitocondrial. Trata-se de uma parte do metabolismo dos organismos aeróbios (utilizam oxigênio na respiração celular); organismos anaeróbios utilizam outros mecanismos, como a fermentação lática, que também ocorre nas células musculares; além da fermentação lática, alguns organismos promovem a fermentação acética e alcoólica, produzindo ácido acético e etanol, respectivamente. Então, no Ciclo de Krebs, o piruvato produzido pela glicólise é 10 oxidado a H2O e CO2, em vez de ser reduzido a lactato ou a outro produto da fermentação. Outros macronutrientes ingeridos (lipídeos e proteínas) também podem ser quebrados em seus constituintes (ácidos graxos e aminoácidos) para entrar no Ciclo de Krebs, porém, também serão convertidos a acetil-CoA, a forma como a maioria dos combustíveis entra no ciclo. Acetil-CoA, assim como NAD e FAD, é uma coenzima que funciona durante a descarboxilação. Coenzimas são sustâncias que se associam a enzimas, ativando-as e transferindo elétrons. Portanto, o primeiro passo a ser considerado aqui é a entrada do piruvato na matriz mitocondrial e sua conversão em acetil-CoA, realizada por um complexo enzimático – um grupo de enzimas – com liberação de uma molécula de CO2 (descarboxilação); logo, com a perda de 1 átomo de carbono com a saída de 1 CO2, originou-se uma estrutura com 1 carbono a menos, ou seja, 1 molécula com 2 carbonos (acetil-CoA). As etapas descritas estão demonstradas na figura abaixo. Figura 5 – Ciclo de Krebs Fonte: Elaborada pelo autor. 11 A partir daqui inicia-se o Ciclo de Krebs, com a 1ª etapa de condensação: acetil-CoA mais oxaloacetato produzindo citrato com 6 carbonos; a 2ª etapa compreende a conversão do citrato a cis-Aconitato, com a saída de 1 molécula de água e a formação do isocitrato com hidratação; na 3ª etapa ocorre a conversão do isocitrato a α-cetoglutarato (5 carbonos), com reação de descarboxilação e a primeira transferência de elétrons pela molécula de NAD ficando em seu estado reduzido NADH; na 4ª etapa ocorre novamente uma descarboxilação, com a conversão do α-cetoglutarato em succinil-CoA (4 carbonos) e mais uma redução do NAD; na 5ª etapa o succinil-CoA é convertido a succinato, com a associação de um Pi a 1 molécula de GDP, formando um GTP; a 6ª etapa converte succinato a fumarato, com a transferência de elétrons pelo FAD, com sua redução a FADH2; na 7ª etapa ocorre a hidratação do fumarato, formando o L-malato; na última etapa, o L-malato é oxidado a oxaloacetato, com redução do NAD. Observando o Ciclo de Krebs como um todo, vemos que ocorreu uma série de reações bioquímicas nas quais a quantidade de energia armazenada na acetil-CoA é liberada por etapas, por reações de oxidação-redução realizadas por coenzimas carreadoras de elétrons (NAD e FAD). Podemos observar também que, para cada molécula de acetil-CoA que entra no ciclo, temos: 2 moléculas de CO2 liberadas por reação de descarboxilação, 3 moléculas de NADH e 1 molécula de FADH2 produzidas por reações de oxidação-redução e 1 molécula de GTP (ATP) gerada por fosforilação. Ainda, temos como produto desse ciclo os intermediários que desempenham funções em outras vias, principalmente na biossíntese de aminoácidos. Portanto, as principais funções do Ciclo de Krebs são a produção de agentes redutores (NAD e FAD) e a função anaplerótica (intermediários que participam de outras vias). Na respiração celular inspiramos O2 e liberamos CO2 pelos pulmões durante a expiração; esse CO2 é produzido no Ciclo de Krebs e é liberado na atmosfera como um resíduo gasoso da respiração aeróbica; portanto, a respiração tem um papel estritamente metabólico, resultando noCO2 como um excreta do metabolismo celular e um produto consequente do processo oxidativo da glicose, sendo uma consequência da síntese de ATP. 12 TEMA 5 – CADEIA RESPIRATÓRIA A cadeia respiratória ou cadeia transportadora de elétrons consiste em utilizar todos os NADH e FADH2 que foram produzidos na glicólise e no Ciclo de Krebs para transferir a energia carreada para produção de ATP. Conforme estudamos, dentro das células ocorrem reações químicas nas quais carreadores são capazes de transferir a energia presente nas ligações químicas de uma molécula orgânica inicial (glicose) até o sistema final, que então é capaz de utilizar essa energia para sintetizar novas moléculas de ATP. Em eucariotos, os carreadores de elétrons estão localizados na membrana interna da mitocôndria. Procariotos não têm mitocôndria, portanto, fazem a respiração celular no citosol e utilizam invaginações da própria membrana plasmática para fazer a cadeia respiratória. Os elétrons do NADH e do FADH2 ficam passando por complexos proteicos inseridos na membrana da crista mitocondrial e sendo atraídos em direção ao O2. Desse modo, dizemos que os principais componentes do sistema transportador de elétrons são complexos proteicos denominados complexo I, complexo II, complexo III e complexo IV, conforme figura a seguir (os formatos dos complexos aqui representados são aleatórios, não simulando a realidade). Figura 6 – Visão geral da cadeia respiratória ocorrendo na crista mitocondrial e na matriz intermembranar Fonte: Elaborada pelo autor. O transporte de elétrons pela cadeia respiratória se inicia com a chegada do NAD reduzido proveniente do ciclo de Krebs, que reduz o complexo I e volta 13 oxidado. O complexo II reduz o FAD, que também retorna oxidado para a glicólise e para o Ciclo de Krebs, pois está sempre ocorrendo essa reciclagem de carreadores. Nos complexos I, III e IV, além de eles terem centros de oxidação- redução, a dissipação de energia faz com que esses complexos proteicos mudem suas conformações e funcionem como bombas de prótons (bombeiam prótons), pois, para cada NAD e FAD que chega, a quantidade de prótons no espaço intermembrana aumenta, e eles precisam retornar à matriz mitocondrial, o que só pode ocorrer pela ATP sintase, já que esse é o único caminho de retorno. Quando o próton retorna à matriz mitocondrial, gera uma mudança de conformação da ATP sintase, e é exatamente essa energia que ela utiliza para montar uma molécula de ATP. Portanto, os elétrons passam por todo esse caminho para que possam liberar toda a sua energia, que vai ser usada para bombear os H que estão na parte interna da mitocôndria para fora (entre as membranas da mitocôndria). Essa parte da mitocôndria vai ficar com carga positiva (H+) e a matriz vai ficar com carga negativa; o H só vai conseguir retornar para a matriz por meio do complexo proteico chamado de “ATP sintase”, ou seja, após a etapa que passa pelo complexo IV; assim, elétrons se unem a prótons e O2, formando água. O processo chamado de “fosforilação oxidativa” ocorre com o retorno dos prótons (H+); ele consiste na adição do P à molécula de ADP, formando uma molécula de ATP pela catalisação da ATP sintase; para isso acontecer, é necessária a presença do O2 como aceptor final das várias transferências de elétrons que já foram iniciadas desde o primeiro momento em que a glicose é oxidada. Tal processo é complementar ao processo de transporte de elétrons na cadeia respiratória, pois é justamente essa cadeia que promove a fosforilação oxidativa. O ATP sai da mitocôndria para ser usado como fonte de energia pela célula, e os NAD e FAD retornam para a continuação do processo de respiração celular. É importante ater-se ao fato de que os elétrons só vão sair do NADH e do FADH2 e se locomover pelas proteínas da membrana da crista mitocondrial se o O2 estiver presente; se o O2 não estiver presente, não ocorrerá a cadeia respiratória; consequentemente, não há produção de ATP. Na respiração aeróbia dos procariotos são produzidas 38 moléculas de ATP por molécula de glicose. Já nos eucariotos, que também realizam 14 respiração aeróbia, são produzidas 36 moléculas de ATP; tal diferença deve-se à perda de energia no momento em que os elétrons são expelidos pelas membranas mitocondriais que separam a glicólise (no citoplasma) da cadeia de transporte; em procariotos, essa separação não existe. No caso dos microrganismos que realizam anaerobiose utilizando uma substância inorgânica como aceptor final de hidrogênio, a produção de ATP é variável, sendo menor que 38, mas maior que 2. Aqueles que realizam fermentação, utilizando uma molécula orgânica como aceptor final de hidrogênio, produzem 2 moléculas de ATP por molécula de glicose. A figura abaixo ilustra de forma resumida todas as etapas da respiração discutidas na presente aula. Figura 7 – Etapas da respiração celular e da fermentação, ambas com a mesma etapa inicial (glicólise), porém, com suas vias posteriores diferentes Fonte: Elaborada pelo autor. 15 NA PRÁTICA Vamos recapitular a parte introdutória do texto? Depois de tudo que estudamos até aqui, consegue perceber a relação entre a produção de cerveja, as dores musculares depois de uma atividade física intensa, a ingestão de uma batata e o crescimento de uma massa de pão? Essas quatro situações citadas se referem ao metabolismo de carboidratos no qual a glicose é oxidada para produção de energia. Com base nesses conhecimentos, realize em sua casa o experimento saliva-iodo-amido. Material necessário • 1 folha de papel sulfite A4 branca; • 1 haste flexível/cotonete ; • 1 borrifador; • Tintura de iodo 2%. Modo de preparo • Molhe o algodão do cotonete com a sua saliva; • Escreva a palavra “hidrólise” no papel utilizando a sua própria saliva: será necessário parar a escrita, molhar várias vezes e voltar a escrever; • Espere uns minutos até que a saliva seque; • Aplique a tintura de iodo sobre o papel borrifando o líquido por toda a palavra escrita; • Espere uns minutos para que o papel absorva a tintura; observe a reação; • Com base no resultado e na dica oferecida com a palavra “hidrólise”, desenvolva hipóteses do que possa ter acontecido e por que; • Após concluídas as hipóteses, pesquise o que pode ter ocorrido e relacione com o metabolismo dos carboidratos. FINALIZANDO Estudando o metabolismo, vimos que moléculas orgânicas são degradadas em produtos finais menores e simples, processo denominado 16 “catabolismo”. Já o anabolismo consiste na formação (biossíntese) de moléculas maiores e complexas com base em precursores menores. O metabolismo da maioria dos organismos vivos utiliza a glicose como principal substrato oxidável para geração de energia, e segue para dois processos gerais: a respiração celular e a fermentação. Ambos os processos se iniciam com o mesmo primeiro passo, a glicólise, mas seguem vias posteriores diferentes, dependendo da presença ou não de oxigênio na célula. Na presença de oxigênio, o piruvato entra na mitocôndria para que seja realizado o Ciclo de Krebs, seguido da cadeia transportadora de elétrons. Os complexos proteicos da membrana mitocondrial ficam transferindo os elétrons de um lugar para outro, a fim de liberar energia aos poucos para bombear os prótons de H para fora da matriz. Na ausência desse aceptor de elétrons (o oxigênio), a célula desvia seu metabolismo, realizando a fermentação, na qual uma molécula orgânica será o aceptor final de elétrons, e haverá uma produção de apenas 2 moléculas de ATP. O processo de fermentação é largamente utilizado na indústria para produção de alimentos, bebidas e biocombustível. Figura 8 – Resumo do estudo Fonte: Elaborada pelo autor. 17 REFERÊNCIAS NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de Bioquímicade Lehninger. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 2014.
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