Prof André Montillo

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1 Prof André Montillo

2 Definição: É a soma de todas as reações químicas envolvidas na manutenção do estado dinâmico das células, onde milhares de reações ocorrem ao mesmo tempo, determinando uma constante síntese e fragmentação em pedaços menores das substâncias.

3 Classificação: Metabolismo Celular Anabolismo (Vias Biossintéticas) Catabolismo

4 Classificação: Metabolismo Celular Anabolismo: são as reações químicas (Vias Biossintéticas) que sintetizam os compostos simples e complexos necessários para as células: o Síntese de Carboidratos: Fotossíntese nas plantas Síntese em animais e humanos Conversão da glicose em outras moléculas de carboidratos nos animais e humanos o Síntese de Lipídeos o Síntese de Proteínas

5 Classificação: Metabolismo Celular Catabolismo: são as reações químicas que quebram as moléculas para fornecer energia para as células. Se classifica em 2 grandes grupos: o Anaeróbico: são as reações que ocorrem na ausência de oxigênio: Carboidratos: Glicólise Lipídeos: ativação da Lipólise e β-oxigenação Proteínas: Proteólise o Aeróbico: são as reações que ocorrem na presença de oxigênio: Respiração Celular Ciclo do Ácido Cítrico - Ciclo de Krebs Cadeia de Transporte de elétrons Fosforilação Oxidativa Cadeia Respiratória

6 Bioenergia: Metabolisma Celular Respiração Celular: é um complexo de reações químicas com as quais as células extraem os elétrons ricos em energia da matéria orgânica (Є), ou seja, dos compostos orgânicos provenientes da nutrição, através da oxidação desses compostos, para a produção de energia necessária para suas funções. Neste processo e energia elétrica dos elétrons ricos em energia (Є) é convertida em energia química das moléculas de ATP, que representa o moeda bioquímica energética universal. Glicólise ou Lipólise Ciclo de Krebs (Ciclo do Ácido Cítrico) Cadeia Respiratória: o Cadeia de transferência de elétrons (Є) o Fosforilação Oxidativa

7 Bioenergia: Metabolismo Celular Catabolismo Anaeróbico: citosol da célula (exceto a fase da β-oxigenação da lipólise que ocorre na matriz mitocondrial)

8 Bioenergia: Metabolismo Celular Catabolismo Aeróbico: mitocôndria Ciclo de Krebs: matriz mitocondrial Cadeia Respiratória: na crista mitocondrial (membrana interna)

9 Bioenergia: Moléculas Fundamentais: Moléculas Energéticas e transferência de fosfato: AMP: adenosina mono-fosfato: ligação fosfato = 3,4 Kcol/mol ADP: adenosina di-fosfato: ligação fosfato = 7,3 Kcal/mol ATP: adenosina tri-fosfato: ligação fosfato = 7,3 Kcal/mol Moléculas Transportadoras de Elétrons Energizados e de reação de oxido-redução: NAD + NAD Є (forma reduzida) FAD FAD2 + 2Є (forma reduzida) Molécula transportadora de grupos acetila (radical de 2 carbonos) Coenzima A (CoA): acetilcoa

10 Bioenergia: Moléculas Fundamentais: Moléculas Energéticas: ADP: adenosina di-fosfato ATP: adenosina tri-fosfato

11 Bioenergia: Moléculas Fundamentais: Moléculas Transportadoras de Elétrons Energizados e de reação de oxido-redução: NAD + NAD Є (forma reduzida) FAD FAD2 + 2Є (forma reduzida)

12 Bioenergia: Moléculas Fundamentais: Molécula transportadora de grupos acetila (radical de 2 carbonos) Conzima A (CoA) Coenzima A Mercaptoetilamina Ácido Pantotênico ADP fosforilada

13 Bioenergia: Moléculas Fundamentais: Molécula transportadora de grupos acetila (radical de 2 carbonos) Acetil: Acetila O C 3 C

14 Bioenergia: Moléculas Fundamentais: Molécula transportadora de grupos acetila (radical de 2 carbonos) Acetil-CoA: Acetil - O C C 3 S CoA NAD + NAD + Coenzima A

15 Bioenergia: Moléculas Fundamentais: Molécula transportadora de grupos acetila (radical de 2 carbonos) Conzima A (CoA): Acetil-CoA Acetil-Coenzima A O C C S CoA 3

16 Bioenergia: Metabolismo Celular Catabolismo: são as reações químicas que quebram as moléculas para fornecer energia para as células. Se classifica em 2 grandes grupos: o Anaeróbico: são as reações que ocorrem na ausência de oxigênio: Carboidratos: Glicólise Lipídeos: ativação da Lipólise e β-oxigenação Proteínas: Proteólise o Aeróbico: são as reações que ocorrem na presença de oxigênio: Respiração Celular Ciclo do Ácido Cítrico - Ciclo de Krebs Cadeia de Transporte de elétrons Fosforilação Oxidativa Cadeia Respiratória

17 Bioenergia: Anaeróbico Aeróbico

18 Bioenergia: Glicólise - Via Ebden-Meyerhof Principal via de obtenção de energia pela célula Ocorre no citosol

19 Bioenergia: Glicólise

20 Bioenergia: Glicólise

21 Bioenergia: Glicólise Principal via de obtenção de energia pela célula Ocorre no citosol 1º Estágio: Etapa de Ativação: São consumidas 2 moléculas de ATP São produzidas 4 moléculas de ATP São produzidas 2 moléculas de NAD Última etapa: 2 moléculas de Piruvato (piruvato quinase) O Piruvato não se acumula no organismo: A piruvato quinase é estimulada pelo AMP A piruvato quinase é inibida pelo ATP

22 Bioenergia: Glicólise Transferência das Moléculas de Piruvato para a mitocôndria Na membrana interna da mitocôndria, na matriz mitocondrial. O Piruvato é transferido para o interior da mitocôndria onde sofre uma descarboxilação oxidativa na presença da Coenzima A para produzir a Acetil-CoA, com liberação de 1 molécula de gás carbônico (CO2) e é produzida 1 molécula de NAD a partir da redução da NAD + que entrará no Ciclo de Krebs

23 Bioenergia: Glicólise Piruvato: descarboxilação oxidativa (mitocôndria) mitocôndria

24 Bioenergia: Glicólise Rendimento: Gasta 2 ATP e Produz 4 ATP Saldo: 2 ATP 4 moléculas NAD (2 no citosol e 2 na mitocôndria) 2 moléculas de Piruvato

25 Bioenergia: Glicólise Glicose 2 NAD 2 ATP 1 NAD CO 2 Piruvato -c3 AcetilCoA -c2 Piruvato -c3 AcetilCoA -c2 1 NAD CO 2 citosol mitocôndria

26 Bioenergia: Ciclo de Krebs (Ciclo do Ácido Cítrico) Ocorre na matriz da mitocôndria É um processo que se caracteriza por várias reações químicas de degradação e oxidação dos compostos carbonados Fonte importante de energia dos compostos orgânicos

27 Bioenergia: Ciclo de Krebs (Ciclo do Ácido Cítrico)

31 Bioenergia: Ciclo de Krebs (Ciclo do Ácido Cítrico) Não há queima dos compostos orgânicos A energia é produzida em pacotes de elétrons energizados na forma de NAD e FAD2 Maximizar a produção de energia Fornece matéria prima para a síntese de aminoácidos com por exemplo: o ácido α-cetoglutárico é usado na síntese do ácido glutâmico

32 Bioenergia: Ciclo de Krebs (Ciclo do Ácido Cítrico) Por ser um ciclo fornece um método excelente para regulação das velocidades das reações catabólicas É controlado pro um mecanismo de retroalimentação, ou seja, quando os produtos essenciais do ciclo: NAD e FAD2 e o produto final da ciclo, o ATP, se acumulam o ciclo de Krebs é inibido por ação sobre as enzimas catalizadoras O acúmulo da Acetil-CoA acelera o ciclo de Krebs

33 Bioenergia: Ciclo de Krebs NAD + + oxaloacetato 4C 7º passo 4C Acetil-CoA 2C 4C 8º passo malato fumarato 1º passo CoA 6C 2º passo citrato (ácido cítrico) 3º passo 6C 5C isocitrato NAD + + CO 2 α-acetoglutarato FAD 2 6º passo 4º passo 4C succinato 5º passo GTP CoA 4C succinilcoa NAD + + CO 2

34 Bioenergia: Degradação Oxidativa da molécula de glicose com liberação de gás carbônico pela respiração pulmonar e transferência de íons de hidrogênio com elétrons rica em energia (NAD e FAD2) para a cadeia respiratória e produção de ATP. C 6 12 O 6 Piruvato - c3 1 NAD + 2Є CO 2 glicólise citosol 1 NAD + 2Є 1 NAD + 2Є AcetilCoA - c2 CO 2 CO 2 mitocôndria ciclo de Krebs Piruvato - c3 1 NAD + 2Є CO 2 AcetilCoA - c2 CO 2 CO 2 3 NAD + 2Є + 1 FAD2 + 2Є 3 NAD + 2Є + 1 FAD2 + 2Є

35 Bioenergia: Cadeia Respiratória Transporte de elétrons e + Fosforilaçao Oxidativa Fosforilação Oxidativa

36 Bioenergia: Cadeia Respiratória Ocorre na membrana interna na crista mitocondrial Maior produção de ATP Processo no qual haverá a utilização da energia transferida por elétrons ricamente energizados, que foram extraídos dos nutrientes, conduzidos pelas moléculas de NAD e FAD2 para fosforilação de moléculas de ADP gerando as moléculas de ATP.

37 Bioenergia: Cadeia Respiratória Complexo proteico situado na membrana interna da crista mitocondrial, que separa a matriz mitocondrial do meio intermembranar (entre as membranas interna e externa) 3 Proteína: bombeadoras de prótons (íons hidrogênio) 1 Proteína Carreadora de Fosfato 2 Proteínas lipossolúveis 1 Proteína extremamente complexa (ATP sintetase)

38 Bioenergia: Cadeia Respiratória Complexo proteico situado na membrana interna da crista mitocondrial, que separa a matriz mitocondrial do meio intermembranar (entre as membranas interna e externa) 3 Proteína: bombeadoras de prótons (íons hidrogênio) NAD desidrogenase: Complexo I Citocromo b-c 2 : Complexo III Citocromo oxidase: Complexo IV 1 Complexo II: succinato-fumarato (Oxida o FAD) 1 Proteína Carreadora de Fosfato Carreador de Fosfato

39 Bioenergia: Cadeia Respiratória Complexo proteico situado na membrana interna da crista mitocondrial, que separa a matriz mitocondrial do meio intermembranar (entre as membranas interna e externa) 2 Proteínas lipossolúveis: que transportam os elétrons entre as proteínas bombeadoras de prótons, através da membrana interna Ubiquinona Citocromo c 1 Proteína extremamente complexa, que é uma enzima denominada da ATPase translocadora de prótons ou também denominada ATP sintetase (Complexo V)

40 Bioenergia: Cadeia Respiratória

43 Bioenergia: Cadeia Respiratória Membrana Externa P NAD FAD2 NAD + Oxidação Oxidação FAD 2 O O ADP ATP

44 Bioenergia: Cadeia Respiratória Processo no qual NAD e FAD2 irão transferir seus elétrons energizados, adquiridos ao longo do processo, para uma série de proteínas bombeadoras de íons + dispostas ao longo da membrana interna da mitocôndria Os elétrons transferidos pelo NAD e FAD2 libera a energia necessária para que haja o bombeamento de íons + da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar As proteínas transportadoras, lipossolúveis, transferem os elétrons pelas 3 proteínas bombeadoras de prótons até ao final desta cadeia quando então o Oxigênio, atua como o receptor final, recebe os elétrons, que quebra a molécula de Oxigênio, gerando 2 ânions O 2- que reagem com os íons + para formar água

45 Bioenergia: Cadeia Respiratória Este transporte de + gera um gradiente de concentração entre a matriz e o espaço intermembranar, sendo que este irá apresentar a maior concentração de íons + Este gradiente determina os ínos de + sejam transferidos através da enzima ATP sintetase, que gira um rotor proteico, transformando a energia mecânica em energia química pela fosforilação da ADP em ATP.

46 Bioenergia: Cadeia Respiratória É um processo oxidativo: ocorre na presença de Oxigênio com oxidação das moléculas NAD e FAD2 Funções do Oxigênio: Atraem os elétrons estes através das proteínas transportadoras e captam estes elétrons ao término do transporte pela membrana interna Reagem com os íons de idrogênio formando água Promovem a oxidação do NAD e FAD2 Promovem a entrada dos íons de idrogênio na mitocôndria, porque a concentração de hidrogênio diminui quando forma água

47 Bioenergia: Cadeia Respiratória Cada quatro prótons (+) que entra no transporte de elétrons produz 1 molécula de ATP através da ATP sintase Cada NAD transfere 4 + através de primeira e segunda Bombas de Próton e 2 + na terceira Bomba de Prótons Cada FAD2 transfere 4 + através da segunda Bomba de Prótons e 2 + da terceira Bomba de Prótons Cada molécula de NAD produz 2,5 moléculas de ATP Cada molécula de FAD2 produz 1,5 moléculas de ATP Oxidação do NAD e FAD2 para retornar para o início do ciclo e manter a respiração celular

48 Bioenergia: Respiração Celular Rendimento Energético de 1 molécula de Glicose 2 moléculas de ATP (glicólise) 2 molécula de NAD (glicólise: citosol) 2 molécula de NAD (glicólise: mitocôndria) 6 moléculas de NAD (Ciclo de Krebs) 2 moléculas de FAD2 (ciclo de Krebs) 2 molécula de GTP (ciclo de Krebs): 2 moléculas de ATP Cadeia Respiratória: 2 NAD (glicólise/citosol): 4 moléculas de ATP 2 NAD (glicólise/mitocôndria): 6 moléculas de ATP 6 NAD (ciclo de Krebs): 18 moléculas de ATP 2 FAD2 (ciclo de Krebs): 4 moléculas de ATP Total: 36 moléculas de ATP

49 Bioenergia: Respiração Celular

53 Bioenergia: Respiração Celular Rendimento Energético de 1 molécula de Glicose

54 Bioenergia: Quebra o Triglicerídeo Lipólise: quebra ligação de esterificação citosol C 1º C C (16) C 2º C C (18) Glicerol C 1º C C Ácidos Graxos (17)

55 Bioenergia: Quebra o Triglicerídeo Lipólise Glicerol Glicerol 1 fosfato Dihidroxicetona fosfato Gliceraldeido 3 fosfato Piruvato (citosol) ou Gicogênio. Ácido Graxos β oxidação (matriz mitocondrial)

56 Bioenergia: Lipólise Glicerol:

57 Bioenergia: Lipólise Glicerol: Ativação do Glicerol: Glicerol 1 fosfato (gasta 1 ATP) Glicerol 1 fosfato por oxidação: Di-hidroxicetona fosfato Produção de 1 molécula de NAD Di-hidroxiacetona fosfato é isomerizada em gliceraldeido 3 fosfato e entra na glicólise ou entra na gliconeogênese produzindo glicose

58 Bioenergia: Quebra o Triglicerídeo β-oxidação: quebra do ácido graxos C C (16) C C (18) C C Ácidos Graxos (17)

59 Bioenergia: Quebra o Triglicerídeo β-oxidação: quebra do ácido graxos CoA S Ativação ATP dos AMP Ácidos Graxos CoA CoA S ATP AMP S ATP AMP C C C C C C Ácidos Graxos Ligação da CoA aos Ácidos Graxo com gasto de 2 ATPs Acil-CoA (16) (18) (17)

60 Bioenergia: Quebra o Triglicerídeo β-oxidação: formação do Acil-CoA citosol CoA S L- Carnitina C C (16) CoA S

61 Bioenergia: Quebra o Triglicerídeo β-oxidação: quebra do Acil-CoA matriz mitocondrial CoA O SCoAC FAD2 2O NAD O O CS C C C C C C 3 CoA S C AcetilCoA C 3

62 Bioenergia: Quebra o Triglicerídeo β-oxidação: quebra do Acil-CoA matriz mitocondrial CoA O O CoA S C FAD2 2O NAD O SC C C C C 3 CoA S C C 3 AcetilCoA

63 Bioenergia: Quebra o Triglicerídeo β-oxidação: quebra do Acil-CoA matriz mitocondrial O O CoA CoAC S SC C C 3 FAD2 2O NAD AcetilCoA CoA S O C C 3 AcetilCoA

64 Bioenergia: Quebra o Triglicerídeo β-oxidação: Acil-CoA com número Par de Carbonos O CoA S C C C C C C C C FAD2 NAD AcetilCoA FAD2 NAD AcetilCoA FAD2 NAD AcetilCoA AcetilCoA

65 Bioenergia: Quebra o Triglicerídeo β-oxidação: Acil-CoA com número Impar de Carbonos O CoA S C C C C C C C C FAD2 NAD AcetilCoA FAD2 NAD AcetilCoA FAD2 NAD AcetilCoA C PropionilCoA SuccinilCoA

66 Bioenergia: Lipólise Ácido Graxos (ácido esteárico C18): β-oxidação: CARNITINA ACIL-CARNITINA ACIL-COA nº da Etapa Etapas Químicas Ocorre ATP Produzidos 1 Ativação 1 vez -2 2 FAD2 8 vezes 16 4 NAD vezes 24 Final AcetilCoA: 12 ATP 9 vezes 108 Total 146 ACIL-COA menos 2C

67 Bioenergia: Lipólise Ácido Graxos: Processo Espiral da β-oxidação É um longo processo cíclico 1ª Etapa (citosol): ácido graxo é ativado pela Coenzima A formando ácido graxos-coenzima A (Acil-CoA) com gasto de 2 moléculas de ATP (ATP AMP) Fase da β-oxidação (mitocôndria): que inicia pela desidrogenação criando uma dupla ligação entre os carbonos α e β da cadeia do ácido graxos (produz de 1 molécula se FAD2) Nova oxidação no carbono β (produz 1 molécula de NAD) Reação com a CoA: liberando 1 molécula de Acetil-CoA A Cadeia do ácido graxos com menos 2 carbonos retorna para o início da β-oxidação continuando o espiral Cada espiral produz 1 molécula de Acetil-CoA No último ciclo são produzidas 2 moléculas de Acetil-CoA Ácidos graxos com número impar de carbonos no último ciclo libera 1 molécula de Acetil-Coa e 1 molécula de Propionil-CoA

68 Bioenergia: Lipólise Ácido Graxos: Processo Espiral da β-oxidação

69 Bioenergia: Proteínas São fragmentadas em aminoácidos para serem mantidos em reservatório e reutilização na síntese proteica Apenas no estado de Inanição que o organismo utiliza as Proteínas como fonte de energia Desaninação Oxidativa: remove os radicais aminas (N4 e N3) São produzidas moléculas NAD e Acetil CoA As aminas são tóxicas para o organismo sendo metabolizadas no ciclo da ureia Catabolismo das Cadeias Carbônicas (fonte de Piruvato e cadeia da 4 carbonos entrar no ciclo de Krebs)

70 Bioenergia: Proteínas

75 Bioenergia: na Ausência de Oxigênio: Não há captação dos elétrons da cadeia de transporte de elétrons, não liberando as proteínas das membranas Não há a oxidação do NAD em NAD + e FAD2 em FAD Não há o retorno de NAD + e FAD para o início do processo Não há bombeamento de prótons para o espaço intermembranar, logo não é criado um gradiente de concentração de íons + entre a matriz mitocondrial e o espaço intermembranar O transporte de elétrons e a fosforilação oxidativas são interrompidas não ocorrendo a produção de ATP A glicólise permanece, porque o piruvato não pode ficar acumulado Ocorrendo a oxidação do NAD e FAD2 resultando em poucas moléculas de ATP: Processos Anaeróbicos