Noções Gerais de bioenergética e Metabolismo de carboidratos

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Noções Gerais de bioenergética
O que é bioenergética?
"É o estudo quantitativo das transduções energéticas que ocorrem em células vivas, bem como da natureza e da função dos processos químicos envolvidos dessas transduções"
As transformações biológicas de energia obedecem às leis das termodinâmicas.
Qual a primeira lei da termodinâmica?
Para qualquer mudança física ou química, a quantidade total de energia no universo permanece constante.
Qual a segunda lei da termodinâmica?
Em todos os processos naturais, a entropia do universo aumenta, ou seja, a desordem do sistema.
A variação de energia livre padrão está diretamente relacionada à constante de equilíbrio.
A variação de energia livre real depende das concentrações dos reagentes e dos produtos.
Introdução ao Metabolismo Energético
O que é metabolismo?
É uma rede de milhares de reações químicas no organismo para obtenção, armazenamento e utilização de energia. As reações que compõem o metabolismo organizam-se em Vias Metabólicas.
O que é catabolismo?
São as vias de degradação (oxidação) de moléculas. Culmina com a produção de energia (ATP).
O que é anabolismo?
Constituem as vias de sínteses de moléculas. Culmina com o gasto de energia (ATP).
As vias anabólicas e catabólicas envolvendo o mesmo produto não são completamente idênticas.
O que acontece com a molécula de glicose assim que entra na célula?
Ela sofre um processo de fosforilação, ganhando um grupo fosfato no carbono 6, por meio da ação enzimática da hexocinase. Isso ocorre para evitar que ela saia da célula.
Via Glicolítica
Quais as duas formas de entrada de glicose na célula?
A entrada de glicose pode entrar de forma dependente da ação da insulina e independente da ação da insulina.
O hepatócito é uma importante célula do corpo, responsável por manter os níveis de glicose no sangue, tendo em vista que ele independe da ação da insulina e armazena glicogênio, ou seja, com a variação dos níveis séricos de glicose, o hepatócito vai liberar ou armazenar mais glicogênio.
Quais as 4 vias metabólicas que a glicose pode seguir no corpo?
O que é a via glicolítica também chamada de glicólise?
É uma via metabólica de 10 passos onde a partir de uma molécula de glicose com 6 carbonos, forma-se duas moléculas de piruvato que têm 3 carbonos. Nela há a produção líquida de 2 ATP's. Nela ocorre 10 reações, sendo 7 reversíveis e 3 irreversíveis (etapas 1, 3 e 10).
· Cite e descreva as 5 etapas da fase preparatória da glicólise:
1. Nessa primeira etapa ocorre o aprisionamento da molécula de glicose pela adição de um grupo fosfato ao carbono 6, pela ação da enzima hexocinase. É irreversível.
2. Nessa segunda etapa ocorre a conversão de um grupo funcional da molécula de glicose. A enzima fosfo-hexose-isomerase transforma a glicose-6-fosfato em frutose-6-fosfato.
3. Na terceira etapa ocorre a adição de mais um grupo fosfato à frutose-6-fosfato que se torna frutose-1,6-fosfato. Essa reação é catalisada pela enzima fosfofrutocinase-1. É irreversível.
4. Agora, na quarta reação da via glicolítica, ocorre a quebra dessa molécula de frutose-1,6-bifosfato em duas de 3 carbonos: di-hidroxiacetona-fosfato e gliceraldeído-3-fosfato. A enzima que catalisa essa reação é a aldolase.
5. A 5ª etapa é importante para o maior aproveitamento energético, tendo em vista que a di-hidroxicetona-fosfato não se torna piruvato, então seria um desperdício não utilizar essa molécula. Para utiliza-la é necessário a ação da tiosefosfato-isomerase transformando essa molécula em gliceraldeído-3-fosfato.
· Cite e descreva as 5 etapas da fase de pagamento da glicólise:
1. A sexta reação da via glicolítica é a conversão das duas moléculas de gliceraldeídos-3-fosfato em 1,3-bifosfoglicerato. É uma reação reversível. Nessa etapa ocorre uma oxidação com produção de NADH. Também foi adicionado um fosfato, porém a origem não foi um ATP, mas um Pi inorgânico do meio mesmo. Quem promove isso é a glicealdeído-3-fosfato-desidrogenase.
2. Na 7ª reação da vía glicolítica o 1,3-bifosfoglicerato vai ser convertido em 3-fosfoglicerato. Primeira reação formadora de ATP. Ocorre a perda de um fosfato com produção de um ATP por molécula (2 ATPs). Catalisada pela enzima fosfoglicerato-cinase.
3. A 8ª reação é responsável pela transformação do 3-fosfoglicerato em 2-fosfoglicerato, onde ocorre apenas uma mudança do fosfato do carbono 3 para o carbono 2. Catalisado pela enzima fosfoglicerato-mutase.
4. Na 9ª reação, 2-fosfoglicerato vai ser convertido em fosfoenolpiruvato, onde ocorre saída da molécula de água. Processo conduzido pela enzima enolase.
5. Na 10ª e última reação da via glicolítica, há a formação do piruvato a partir do fosfoenolpiruvato com perda de um fosfato e consequente produção de um ATP. A enzima que catalisa essa reação é a piruvato-cinase.
OBS: Muitas dessas enzimas possui o Mg+ como cofator.
Qual o rendimento energético final da glicólise?
Na fase preparatória: gasto de 2 ATPs. Na fase de pagamento: produção de 4 ATPs e 2 NADHs. Rendimento de 2 ATPs.
OBS: Dependendo da molécula que se inicia, por exemplo a molécula proveniente do glicogênio, produz 3 ATPs, em vez de 2, já que não precisa adicionar 1 fosfato e gastar um ATP pra isso.
Via das Pentose Fosfato
Quais células realizam em maior intensidade a via das pentose fosfato?
Células da pele, da mucosa intestinal, da medula óssea e células tumorais. Elas realizam em maior intensidade pois têm altas taxas de multiplicação e precisam de mais nucleotídeos.
Quais os dois produtos principais produzidos pela via das pentoses fosfato?
A ribose-5-fosfato e o NADPH.
O NADPH é importante para quais tipos de células? Por que?
É especialmente importante para células que têm uma taxa de produção lipídica superior às outras e que produzem muitos radicais livres. É importante para células do tecido adiposo, glândulas mamárias, glândulas adrenais, gônadas, eritrócitos. Porque tem um poder redutor para a síntese de lipídeos e evita danos causados pelos radicais livres como os produzidos pelos eritrócitos.
A via das pentose fosfato pode ser dividida em fase oxidativa e não oxidativa. Cite e descreva as etapas da fase oxidativa, que tem como função a produção de D-Ribose-5-fosfato e de NADPH:
1. A primeira reação é catalisada pela glicose-6-fosfato desidrogenase e converte a glicose-6-fosfato em 6-fosfato-δ-lactona. É uma reação de oxidação reversível. E já nessa primeira reação há a produção de NADPH.
2. Já na segunda etapa, a 6-fosfato-δ-lactona é convertida em 6-fosfogliconato por meio da enzima lactonase.
3. Na 3ª reação o 6-fosfogliconato vai ser convertido em D-Ribulose-5-fosfato. Nessa etapa ocorre a liberação de um carbono na forma de CO2 e a produção de mais um NADPH. Quem catalisa é a 6-fosfogliconato desidrogenase.
4. E a partir da D-Ribulose-5-fosfato há a produção de D-Ribose-5-fosfato pela fosfopentose isomerase.
O que ocorre na fase não oxidativa?
Reações não oxidativas da via das pentoses-fosfato. (a) Essas reações convertem pentoses-fosfato a hexoses-fosfato, permitindo a continuação das reações de oxidação (ver Figura 14-22). A transcetolase e a transaldolase são específicas dessa via; as outras enzimas também participam das vias glicolítica e gliconeogênica. (b) Diagrama esquemático mostrando a via a partir de seis pentoses (6C) a cinco hexoses (5C). Note que isto envolve dois grupos de interconversões mostrados em (a). Todas as reações mostradas aqui são reversíveis; setas unidirecionais são usadas apenas para deixar claro o sentido das reações durante a oxidação contínua da glicose-6-fosfato. Nas reações independentes de luz da fotossíntese, o sentido dessas reações é invertido.
· Esquema resumido da Via das Pentoses Fosfato
Degradação do Glicogênio
Quais os dois principais locais onde o glicogênio é armazenado e pra onde vai essa reserva de cada um depois?
No fígado: Será degradado para fornecer glicose para todas as outras células, via sangue. No músculo: será degradado para fornecer glicose para ser utilizada pela própria célula muscular.
Como ocorre a reaçãode degradação do glicogênio?
A glicogênio-(amido)-fosforilase é a enzima responsável pela quebra do glicogênio, ela faz isso quebrando a ligação glicosídica α 1,4 a partir da extremidade não redutora, liberando uma molécula de glicose ligada à um fosfato, ou seja, liberando a molécula glicose-1-fosfato e um glicogênio com uma unidade a menos de glicose. A enzima realiza isso vária vezes.
A glicogênio-fosforilase têm um limite de atuação. Como ocorre o processo a partir desse ponto?
A glicogênio-fosforilase não consegue atuar nas 4 últimas moléculas da ramificação. O que acontece a partir daí é a ação de transferase da enzima de desramificação, a qual retira as três moléculas da ramificação e transfere elas para a extremidade redutora mais próxima (como representado na figura), além disso ela também realiza a quebra da ligação α 1,6 da última glicose da ramificação, porém sem a adição de fosfato. Com isso a fosforilase pode continuar sua atuação na próxima cadeia.
Qual a importância do glicogênio ser uma molécula muito ramificada?
Isso é importante pois possibilita à ele a disponibilidade de várias extremidades não redutoras, as quais podem ser degradadas por várias enzimas ao mesmo tempo, tornando o processo muito mais rápido.
Como a molécula de glicose-1-fosfato degradada pode realizar sua função, tendo em vista que ela tem um fosfato e não pode sair da célula?
Caso a degradação tenha sido no músculo, ela não precisa da remoção do fosfato, a única mudança vai acontecer é a da posição do fosfato: a fosfoglicomutase vai colocar o fosfato no carbono 6, deixando a molécula glicose-6-fosfato. Já no fígado que vai liberar essa molécula no sangue, além da ação da fosfoglicomutase, vai haver a ação da glicose-6-fosfatase que vai retirar o fosfato e libera-lo na corrente sanguínea.
Fermentação
Quais os três destinos possíveis do piruvato formado na glicólise?
Qual a principal função da fermentação lática, tendo em vista que não há produção de ATP para além da glicólise?
É uma reação importante para regenerar a molécula de NADH em NAD+, forma que é utilizada na glicólise. Logo, esse NAD+ vai servir para que a via glicolítica aconteça várias vezes.
Como ocorre a fermentação láctica?
O piruvato, por meia da enzima lactato desidrogenase (LDH) é transformado em lactato (ácido láctico) com o consumo de NADH e H+ e liberando o NAD+ como produto.
Como ocorre a fermentação alcóolica?
Ocorre duas reações: na primeira o piruvato é modificado em acetaldeído por meio da piruvato descarboxilase com liberação de um carbono em forma de CO2. Na segunda ocorre a conversão do acetaldeído em etanol, com a ação da álcool desidrogenase, e é nessa etapa que ocorre a regeneração do NAD+.
Ciclo de Krebs
Assim que o piruvato entra na mitocôndria ocorre a produção de Acetil-CoA. Como é formado o Acetil-CoA?
O piruvato que chega na mitocôndria, através do complexo da piruvato desidrogenase (3 enzimas desidrogenase) vai se transformar na Acetil-CoA com a liberação de uma molécula de gás carbônico. Ocorre a produção de um NADH por molécula de piruvato.
Forma resumida as reações do Ciclo de Krebs:
Qual o saldo até então de produtos produzido a partir de uma molécula de glicose?
3 ATPs = 12 H+
NADH = 10 H+
FADH2 = 6 H+
NADH = 2,5 ATPs
FADH2 = 1,5 ATPs
Cadeia transportadora de elétrons e fosforilação oxidativa
Conhecendo melhor a mitocôndria:
Como podemos definir a fosforilação oxidativa?
É o processo final do metabolismo produtor de energia em organismos aeróbicos. Envolve a cadeia transportadora de elétrons e as ATP-Sintase na produção efetiva de ATP.
Como ocorre o transporte de elétrons pela cadeia transportadora de elétrons?
Os elétrons do NADH chegam por meio do complexo I à Q, já os elétrons do FADH2 chegam à Q por meio do complexo II. A Q reduzida (QH2) serve como carregador móvel de elétrons e prótons. Ela passa elétrons ao complexo III, que os passa a outro elemento móvel de ligação, o citocromo c. O citocromo c é transmitido para o complexo IV que então transfere elétrons do citocromo c reduzido ao O2. O fluxo de elétrons pelos complexos I, III e IV é acompanhado pelo fluxo de prótons da matriz ao espaço intermembrana, ou seja, o complexo II não transfere prótons H+ para o espaço intermembranas. Obs: Lembre-se de que os elétrons da beta-oxidação de ácidos graxos também podem entrar na cadeia respiratória por meio de Q. Da esquerda para a direita ocorre um aumento de afinidade por elétrons, tendo o complexo I menor afinidade enquanto o complexo IV a maior afinidade.
O que diz o modelo quimiosmótico?
De acordo com o modelo, a energia eletroquímica inerente à diferença de concentração de prótons e à separação de cargas através da membrana mitocondrial interna – a força próton-motriz – impulsiona a síntese de ATP, à medida que os prótons fluem passivamente de volta à matriz, por meio de um poro para prótons na ATP-sintase.
De acordo com esse modelo, os elétrons que passam pela cadeia transportadora de elétrons são utilizados como fonte energética para a transferência de prótons H+ para o espaço intermembrana, essa transferência produz um gradiente eletroquímico, o qual é responsável pela força próton-motriz. A membrana interna é impermeável à esses prótons, e em sendo impermeável, esses prótons só podem atravessar por meio de proteínas canais específicas (F0). A força próton-motriz que induz a passagem desses prótons H+, proporciona ao complexo F1 associado com o F0 (ATP-Sintase) a produção de ATP.
Como fica o saldo final após a fosforilação oxidativa?
25 TPs (NADH) + 3 ATPs (FADH2) + 4 ATPs = 32 ATPs
Como ocorre a produção de calor pela mitocôndria?
As mitocôndrias, principalmente do tecido adiposo marrom (muito presente nos bebês), possui uma proteína na membrana mitocondrial interna chamada termogenina, que é uma proteína desacopladora. Ao invés do próton H+ voltar do espaço intermembrana para a matriz mitocondrial por meio da ATP-Sintase, esse próton volta pela termogenina, produzindo energia dissipada na forma de calor.
Gliconeogênese
O que é a gliconeogênese?
É a síntese de glicose a partir de precursores que não são carboidratos. (Lactato, glicerol e certos aminoácidos).
Quais moléculas que podem doar carbonos para a gliconeogênese?
O lactato, certos aminácidos (glicogênicos) e glicerol.
O que é o ciclo de Cori? Explique como ocorre esse ciclo:
O ciclo de reações que incluem a conversão de glicose em lactato no músculo e a conversão de lactato em glicose no fígado.
É um ciclo de recuperação do lactato, afim de que esse lactato seja utilizado para a produção de glicose. Para recapitular: quando um músculo necessita de energia de forma rápida, ele utiliza a via metabólica de fermentação lática tendo como produto o lactato. Então, esse lactato que foi utilizado para a produção de energia, vai para o fígado pela corrente sanguínea, no fígado, depois de algumas reações com adição de ATP, ele se torna glicose e volta para a corrente sanguínea para as necessidades do corpo. Esse é o ciclo de Cori, representado na imagem.
O que é ocorre no Ciclo Glicose Alanina?
No músculo que se encontra em jejum prolongado, os aminoácidos presentes são convertidos num único aminoácido, a alanina, que consegue ser transportado no sangue em grande quantidade. Após sair dos músculos e ir para o sangue, ela se direciona para o fígado, onde a alanina perde o grupamento amina, que vai virar uréia, e o que sobra da alanina é justamente o piruvato que vai ser convertido em glicose.
Tabela com os aminoácidos que podem participar da gliconeogênese:
Como o triacilglicerol pode ser utilizado para a produção de glicose?
Apesar de os mamíferos não converterem ácidos graxos em carboidrato, eles podem usar a pequena quantidade de glicerol produzido na quebra das gorduras (triacilgliceróis) para a gliconeogênese. A fosforilação do glicerol pela glicerol-cinase, seguida pela oxidação do carbono central, gera di-hidroxiacetona-fosfato, intermediário da gliconeogênese no fígado.
Na imagem é possível perceber esse processo:o triacilglicerol vai ser quebrado liberando os ácidos graxos e o glicerol. Primeiro o glicerol vai ser convertido em glicerol-3-fosfato, numa reação que tem o gasto de um ATP, pela enzima glicerol-cinase. E depois esse glicerol-3-fosfato vai ser convertido em di-hidroxicetona-fosfato numa reação que produz NADH catalizado pela enzima glicerol-3-fosfato-desidrogenase. O di-hidroxicetona-fosfato pode entrar na via glicolítica e seguir o caminho inverso da via glicolítica para a produção de glicose.
A gliconeogênese é uma simples reversão da glicólise?
A gliconeogênese utiliza as reações reversíveis da glicólise e substitui por outras as reações irreversíveis. Nesse processo, as 3 reações irreversíveis da glicólise são contornadas.
Qual o 1º contorno da gliconeogênese?
É justamente a útlima reação da glicólise. Nessa última reação há a conversão de fosfoenolpiruvato sendo convertido em piruvato, o contorno vai realizar o processo inverso. Há dois caminhos para a produção do fosfoenolpiruvato (PEP): de origem do piruvato ou do lactato
Obs: o PEP é o composto mais energético da célula, por isso ocorre tantas reação na sua síntese.
Qual o segundo contorno da gliconeogênese?
O segundo contorno, é o oposto da 3ª reação da glicólise: a frutose-1,6-bifosfato vai ser convertida em frutose-6-fosfato, por meio da frutose-1,6-bifosfatase. Importante observar que o processo não é exatamente o mesmo, esse processo na glicólise consome um ATP, porém na gliconeogênese não há a produção de ATP, só a liberação de um fosfato (P1) para o citosol.
Qual o terceiro contorno da gliconeogênese?
O terceiro contorno é o oposto da primeira etapa da glicólise. Ocorre nessa reação a conversão de glicose-6-fosfato em glicose pela ação da glicose-6-fosfatase. Essa ação já foi vista na parte de degradação do glicogênio no fígado.
Resumo da Glicólise e Gliconeogênese:
Qual o gasto energético da gliconeogênese?
Importante destacar que todo esse trabalho e gasto energético é para se ter moléculas de glicose e não pra ter energia. Toda a produção é feita no fígado e liberada a glicose no sangue para que aquelas células que são dependentes só de glicose possam utiliza-la.
Síntese do Glicogênio
Para a síntese do glicogênio, o substrato UDP-glicose deve ser formado.
O primeiro passo é a fosforilação da glicose. Explique melhor como isso ocorre:
Assim que a molécula de glicose entra nas células dos músculos ou nos hepatócitos ela vai sofrer o processo de fosforilação ganhando um grupo fosfato no carbono 6 por meio da enzima hexocinase.
Qual o segundo passo da síntese do glicogênio?
O segundo passo é a conversão de glicose-6-fosfato em glicose-1-fosfato, por meio da fosfoglicomutase, num processo reversível. Esse passo é o oposto do que ocorre na degradação do glicogênio.
Explique como ocorre o terceiro passo:
No terceiro passo há a formação de UDP-Glicose. A glicose-1-fosfato reage com um nucleotídeo de uracila que tem três fosfatos (UTP). Dois desses fosfatos são perdidos na forma de pirofosfato. O fosfato que sobrou com a uridina se liga ao fosfato da glicose, formando a UDP-G. A enzima que catalisa essa reação é a UDP-Glicose-Pirofosforilase.
Como a enzima glicogênio sintase forma o polímero linear?
Essa enzima pega o nucleotídeo de UDP-glicose, remove o UDP e a glicose que restou ela adiciona na extremidade redutora, aumentando a cadeia pela adição sucessiva de glicose.
Até aqui foi formada um polímero linear, mas como ocorre a ramificação?
A responsável por essa ação é a enzima ramificadora: ela quebra uma das ligações glicosídicas da cadeia linear, retira um pequeno pedaço e faz a ramificação.
A maioria da síntese de glicogênio acontece pelo prolongamento de cadeias de uma molécula de glicogênio preexistente.
Como ocorre a síntese de glicogênio do zero?
É necessária de proteínas adicionais. A glicogenina vai atuar como um suporte para que a síntese do glicogênio inicie. Toda molécula de glicogênio tem uma glicogenina no meio. Ela é uma proteína que também adiciona unidades de glicose na forma de UDP-glicose, por volta de 6, 7 unidades unidas. Ela tira o UDP e adiciona a glicose na extremidade da já adicionada. A partir desse ponto a glicogênio-sintase continua o trabalho de adição de glicose.