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1 Introdução ao Metabolismo Profª Eleonora Slide de aula

2 Metabolismo Profª Eleonora Slide de aula Relacionamento energético entre as vias catabólicas e as vias anabólicas Nutrientes que liberam energia Carboidratos Gorduras Proteínas Catabolismo Energia química ATP NADP Macromoléculas celulares Proteínas Polissacarídeos Lipídios Ácidos nucléicos Anabolismo O termo metabolismo é utilizado para se referir a soma de todas as reações químicas que ocorrem em um organismo vivo. Uma vez que as reações químicas liberam ou necessitam de energia, o metabolismo pode ser visto como uma ação de balanceamento de energia. Produtos finais pobres em energia CO 2 2 O N 3 Moléculas Precursoras Aminoácidos Açúcares Ácidos graxos Bases nitrogenadas Desta forma, o metabolismo pode ser dividido em duas classes de reações químicas: aquelas que liberam energia e aquelas que requerem energia. As vias catabólicas liberam energia química na forma de ATP e de NAD (ou NADP), que são utilizados, nas vias anabólicas (biossintéticas), para converter moléculas precursoras pequenas em macromoléculas celulares.

3 Variação de energia livre em reações metabólicas Embora se diga, de uma maneira geral, que as reações catabólicas tendem a liberar energia e as reações anabólicas tendem a consumir energia, de fato, todas as reações na célula ocorrem com uma diminuição resultante na energia livre, isto é, G é sempre menor do que zero. Em uma célula, estas reações não são isoladas, mas sim unidas, de modo que a energia livre de uma reação termodinamicamente favorável pode ser transferida a uma segunda reação desfavorável para permitir que ela ocorra. A variação padrão de energia livre para a reação, G o, é uma constante para uma reação particular. Pode ser um valor positivo ou negativo e indica se a reação ocorre espontaneamente ( G o < 0) ou não ( G o >0). Uma reação bioquímica pode inicialmente parecer ser proibitiva, porque sua variação de energia livre é maior do que zero. Contudo, a reação pode ocorrer quando está acoplada a uma segunda reação cujo valor de G seja muito grande e negativo, de modo que a variação resultante na energia livre para as reações combinadas é ainda menor do que zero. O ATP está frequentemente envolvido em tais reações acopladas, porque suas reações podem liberar uma grande quantidade de energia.

4 Adenosina Trifosfato (ATP) O ATP é um composto de potencial energético elevado formado à custa da energia liberada no catabolismo e que se constitui numa reserva energética na célula. Quando a energia é necessária para as reações de síntese, a ruptura de uma ligação entre dois grupos fosforilo, num número suficiente de moléculas de ATP, libera essa quantidade de energia. A molécula apresenta três ligações P-O: Uma ligação fosfoéster, cuja hidrólise é acompanhada de uma variação de energia livre padrão, G o = - 2,5 kcal.mol -1, correspondente à reação AMP + 2 O Adenosina + Pi Duas ligações fosfoanidrido ou pirofosfato, cuja hidrólise é acompanhada por uma grande diminuição de energia livre, G o = - 7,5 kcal.mol -1, para cada uma das reações. ATP + 2 O ADP + Pi ADP + 2 O AMP + Pi Observação: adenosina = adenina + ribose; AMP = adenosina monofosfato; ADP = adenosina difosfato; ATP = adenosina trifosfato; 1 cal = 4,184 J.

5 Papel do ATP em uma reação acoplada A fosforilação da glicose por fosfato inorgânico (PO 4 2- ou Pi) é termodinamicamente desfavorável ( G o = + 13,8 kj.mol -1 ): C O C 2 O C O C O C O C O C O C O C + Pi + O 2 O C C O A hidrólise do ATP é uma reação espontânea ( G o = - 30,5 kj.mol -1 ou 7,3 kcal.mol -1 ): ATP + 2 O ADP + Pi 2 C 2 OPO - 3 Quando as duas reações são combinadas, os valores de G o são adicionados: Glicose + Pi glicose-6-fosfato O ( G o = +13,8 kj.mol -1 ) ATP O ADP + Pi ( G o = -30,5 kj.mol -1 ) Glicose + ATP glicose-6-fosfato + ADP ( G o = -16,7 kj.mol -1-1 ) Portanto, a reação global para a fosforilação da glicose é termodinamicamente favorável. Na célula, esta reação é catalisada pela enzima hexoquinase e uma fosforila é transferida do ATP diretamente para a glicose. Observação: O ATP não é realmente hidrolisado. Contudo, escrevendo as duas reações acopladas fica mais fácil de visualizar o que acontece termodinamicamente. O

6 Formação de ATP O ATP é formado nos organismos vivos por fosforilação do ADP, acoplada com reações de oxidação que fornecem a energia necessária. As fosforilações oxidativas ocorrem nas transferências de elétrons pela cadeia respiratória das células aeróbicas (onde o oxigênio é o aceptor final de elétrons, isto é, o oxidante), ou na fase luminosa da fotossíntese (fotofosforilação), que permite a conversão da energia luminosa em energia química. Estes dois processos têm lugar, respectivamente, nas mitocôndrias e nos cloroplastos. A fosforilação do ADP em ATP ocorre também, sem a interferência do oxigênio, em processo denominado fosforilação no nível de substrato. Observação: Guanosina Trifosfato ou GTP difere do ATP por conter guanina como base nitrogenada

7 Co-fatores reduzidos Em geral, o catabolismo de aminoácidos, oses e ácidos graxos é um processo de oxidação (oxidação é a perda de elétrons). Por exemplo, os grupamentos metileno (-C 2 -) saturado (reduzido) de um ácido graxo são eventualmente liberados como CO 2, no qual o carbono é totalmente oxidado. Ao contrário, a síntese de aminoácidos, oses e ácidos graxos a partir de precursores ainda menores é geralmente um processo de redução (redução é o ganho de elétrons). As reações de oxidorredução envolvem a transferência de elétrons (simbolizados por e - ), de modo que, quando um composto é oxidado e doa os seus elétrons, um outro composto é reduzido quando aceita os elétrons. Quando um nutriente é oxidado, seus elétrons são colhidos por uma coenzima: Nutriente (reduzido) e - Co-fator (oxidado) Uma coenzima é um grupamento orgânico que participa de uma reação enzimática. O termo co-fator inclui coenzimas, assim como, íons metálicos que são essencias para algumas atividades enzimáticas Nutriente (oxidado) Co-fator (reduzido) Os co-fatores mais relevantes para o metabolismo são as coenzimas NAD + (ou NADP + ) e FAD. Cada elétron se move como um átomo de hidrogênio (um próton e um elétron).

8 As vias catabólicas geram quantidades consideráveis de co-fatores reduzidos. Alguns deles são reoxidados em reações anabólicas. Os restantes são reoxidados em processo que libera energia e que é acompanhado pela síntese de ATP a partir de ADP + Pi. Em organismos aeróbicos, a reoxidação do NAD e a produção acoplada de ATP necessitam da redução do O 2 a 2 O. Co-fator (reduzido) O 2 e - Co-fator (oxidado) 2 O Observação: Os organismos anaeróbicos, sintetizam ATP sem o uso de O 2 como agente oxidante.

9 Coenzimas NAD + e FAD Estrutura das formas oxidadas da nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD + ) e da flavina adenina dinucleotídeo (FAD). N

10 Forma oxidada da nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato (NADP + ) Observação: Este dinucleotídeo difere do NAD + apenas pela presença de um grupo fosfato (em vermelho) esterificado ao carbono 2 da ribose do nucleotídeo de adenosina.

11 Reações de óxido-redução catalisadas por enzimas desidrogenases que têm NAD + e FAD como coenzimas O substrato reduzido (S 2 ) é oxidado, perdendo dois átomos de hidrogênio, e as coenzimas convertem-se nas suas formas reduzidas. O NAD + recebe dois elétrons e um próton, ficando o segundo próton no meio. O FAD recebe os dois átomos de hidrogênio. Observação: Estão representadas apenas as partes reativas do NAD + e FAD, o restante das moléculas sendo simbolizado por R.

12 Coenzima A (CoA ou CoA-S) A Coenzima A é um derivado de nucleotídeo contendo uma adenosina fosforilada ligada a um ácido pantotênico (vitamina B 3 ), com uma cadeia lateral terminando em uma sulfidrila (S). Uma terceira classe de compostos que podem liberar uma grande quantidade de energia por hidrólise são os tioésteres, como a acetil-coenzima A (grupo acetil ligado a sulfidrila da CoA). O CoA S C C 3 CoA S O C R Acil-Coenzima A: Quando o grupo R (cadeia hidrocarbonada) não é especificado. A hidrólise da ligação tioéster tem valor de G o = -31,5 kj.mol -1-1, compatível ao da hidrólise do ATP

13 Esquema simplificado do processo de obtenção e utilização de energia em organismos quimiorganotróficos (*) A oxidação de nutrientes leva à redução de coenzimas que são oxidadas por O 2, produzindo ATP. Pi = fosfato inorgânico (PO 4 2- a p 7,4). Os processos biológicos utilizam a energia do ATP, sintetizado por oxidação de nutrientes. (*) Organismos que utilizam compostos orgânicos como fontes de carbono e de energia. A maioria das bactérias e todos os fungos e animais são quimiorganotróficos.

14 Mapa simplificado de parte do metabolismo de carboidratos, lipídios e proteínas No estágio I, centenas de proteínas e muitas espécies de lipídeos e de carboidratos são degradadas liberando as moléculas fundamentais que as compõem, que são em número relativamente pequeno. No estágio II, as moléculas fundamentais são degradadas até o produto comum, os grupos acetil do acetil-coa. No estágio III, o catabolismo converge para o ciclo do ácido cítrico. Como produtos finais do catabolismo são formados, principalmente, CO 2, 2 O e N 3. Observação: As setas indicam reações em alguns casos, e em outros, etapas de vias metabólicas compostas por várias reações.

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