Relações energéticas entre anabolismo e catabolismo

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1 METABOLISMO

2 METABOLISMO Metabolismo é o conjunto de transformações (reações químicas) que as substâncias químicas sofrem no interior dos organismos vivos (células). Estas reações são responsáveis pelos processos de síntese e degradação dos nutrientes na célula e constituem a base da vida, permitindo o crescimento e reprodução das células, mantendo as suas estruturas e adequando respostas aos seus ambientes.

3 Anabolismo A parte do metabolismo que se refere à complexidade de substâncias num organismo, ou seja, a partir de moléculas mais simples, são criadas moléculas mais complexas. Catabolismo A parte do metabolismo que se refere à assimilação ou processamento da matéria adquirida para fins de obtenção de energia. Parte sempre de macromoléculas, que contêm quantidades importantes de energia (glicose, triglicéridos, etc). Estas substâncias são transformadas de modo a que restem, no final, micromoléculas, pobres em energia (H 2 O, CO 2, NH 3 ), aproveitando, o organismo, a formação e libertação de energia resultante deste processo.

4 Relações energéticas entre anabolismo e catabolismo

5 CAMINHOS METABÓLICOS Os caminhos metabólicos são séries de reações enzimáticas interligadas, que produzem produtos específicos. Os processos catabólicos e anabólicos estão relacionados da seguinte maneira: nos processos catabólicos, complexos compostos (metabólitos) são partidos em produtos mais simples; a energia livre libertada neste processo é conservada pela consequente síntese de ATP a partir de ADP+Pi, ou pela redução do coenzima NADP+ para NADPH. O ATP e o NADPH são as mais importantes fontes de energia para as reações anabólicas. O acetil-coenzimaa participa na maior parte dos processos catabólicos.

6 Caminhos Metabólicos do Organismo

7 Considerações Termodinâmicas Os mecanismos metabólicos são irreversíveis. Uma reação altamente exergónica é irreversível; se se tratar de uma reação em vários passos, se um deles for irreversível, então todo o processo se torna irreversível. Todos os mecanismos metabólicos têm um primeiro passo cometido. Embora a maioria das reações metabólicas estejam muito próximas do equilíbrio químico, há quase sempre uma reação exergónica irreversível num dos primeiros passos do metabolismo. Os mecanismos catabólico e anabólico são diferentes. Se um metabolito é convertido noutro metabolito por um processo exergónico, tem que ser fornecida energia livre para converter o segundo metabolito novamente no primeiro e assim diferentes caminhos de reação têm de ser tidos em conta pelo menos nalguns passos.

8 Estrutura do fosfato inorgânico (ATP) O ATP (adenosina trifosfato), que aparece em todas as formas de vida conhecidas, consiste numa adenosina (adenina+ribose) na qual três grupos fosforil (-PO 3 2- ) estão sequencialmente ligados por uma ligação fosfoéster e duas ligações fosfoanídricas. A importância biológica do ATP assenta na grande quantidade de energia que acompanha a quebra das suas ligações fosfoanídricas.

9 Grupos Funcionais -Tipos de Reações Reação de oxidação redução Grupos funcionais

10 METABOLISMO DOS GLÚCIDOS

11 ENERGIA DO METABOLISMO Cada macromolécula é dividida noutras mais pequenas. Glúcidos açúcares simples Lípidos ácidos gordos e glicerol Proteínas aminoácidos Cada etapa da sua cisão deve ser um processo controlado. ATP unidade básica de transferência de energia. NADH NICOTINAMINA ADENINA DINUCLEÓTIDO FADH2 FALVINA ADENINA DINUCLEÓTIDO

12 VISÃO GERAL DOS PROCESSOS CATABÓLICOS PROTEÍNAS AMINOÁCIDOS GLÚCIDOS AÇUCARES SIMPLES LÍPIDOS ÁCIDOS GORDOS 1ª ETAPA GLICÓLISE PIRUVATO ATP 2ª ETAPA ACETIL CoA CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA ATP 3ª ETAPA

13 Fígado e vesícula biliar Produzem sais biliares. Emulsionam as gotas de gorduras digestão mais fácil. Intestino delgado Degradação posterior. Produz aminoácidos, hexoses, ácidos gordos e glicerol. Desloca materiais para o sangue para serem transportados às células.

14 PRIMEIRA ETAPA Hidrólise dos alimentos em subunidades mais pequenas (sistema digestivo). Glândulas salivares Segregam amilase digere amido. Estômago Segrega HCl desnatura as proteínas e pepsina. Pâncreas Segrega enzimas proteolíticos e lipases. Degradam proteínas e lípidos.

15 SEGUNDA ETAPA Conversão de monómeros numa forma que pode ser oxidada completamente. Açúcares começa com a glucose ou frutose convertida em acetil-coa. Aminoácidos todos os desaminados podem entrar em qualquer etapa. Ácidos gordos convertidos em acetil-coa.

16 TERCEIRA ETAPA Oxidação completa de nutrientes e a produção de ATP. Tudo é convertido em acetil-coa O acetil entra no ciclo do ácido cítrico Onde é convertido em CO 2 e energia (ATP)

17 METABOLISMO DA GLUCOSE

18 VIAS METABÓLICAS A PARTIR DA GLUCOSE-6-P Glucose Poliósidos Ácido Láctico Glucose-6-P Glicólise Ácido Pirúvico Ciclo de Krebs CO 2 + H 2 O Glicerol Ácidos Gordos Lípidos Aminoácidos Pentoses Ácido Pirúvico Proteínas

19 GLICÓLISE Catabolismo da Glucose 1ª etapa do metabolismo dos glúcidos. Os açúcares simples são degradados em piruvato. Processo anaeróbico (Fermentação) não é necessário oxigénio. Todos os seres vivos utilizam este processo.

20 A glicólise é o processo que leva à quebra da glucose. É a sequência de dez reações enzimáticas, na qual uma molécula de glucose é convertida em duas moléculas de gliceraldeído-3-fosfato. Dos três piruvatos carbónicos há o aparecimento de 2 ATP s. A glicólise é extremamente importante pois tem um papel de destaque no fornecimento de energia sob a forma de ATP e na preparação da glucose e outros compostos para seguintes degradações oxidativas.

21 A glicólise pode ser decomposta em duas partes: Parte I (Investimento energético reações 1-5) Na sua fase inicial a glucose é fosforilada e partida de forma a aguentar duas moléculas de fosfato. Este processo consome 2 ATP s. Parte II (Recuperação energética reações 6-10) As duas moléculas de gliceraldeído-3-fosfato são convertidas em piruvato, com a redução de 4 ATP s. Assim a glicólise vai ter um balanço total positivo de 2 ATP s, visto que na fase inicial são gastos dois ATP s. Equação geral da glicólise

22 Parte I

23 ENZIMAS E REAÇÕES DA PARTE I Hexocinase: Primeira utilização do ATP: A reação 1 da glicólise é a transferência de um grupo fosforil do ATP para a glucose, formando glucose-6-fosfato (G6P), numa reação catalisada pelo enzima hexocinase. Isomerase fosfoglucosídica: A reação 2 da glicólise é a conversão do G6P em frutose-6-fosfato (F6P), através da ação do enzima isomerase fosfoglucosídica (transformação de uma hexose numa pentose). Fosfofrutocinase: segunda utilização de ATP: A reação 3 da glicólise é catalisada pelo enzima fosfofrutocinase. Este último fosforila o F6P, formando frutose-1,6-bifosfato (FBP ou F1,6P). Esta reação é semelhante à reação 1 e também se dá na presença do ião Mg 2+.

24 Aldolase: A reação 4 da glicólise é catalisada pelo aldolase e é onde há a quebra do FBP para formar duas trioses: gliceraldeído-3-fosfato (GAP) e dihidroxoacetonofosfato (DHAP). Isomerase Fosfotriose: A reação 5 da glicólise, apenas o GAP continua o processo glicolítico. No entanto, como o GAP e o DHAP são isómeros funcionais aldeído-cetona, podem ser interconvertidos por uma reação de isomerização por intermédio de um enodiol. O triosefosfato isomerase catalisa este processo.

25 Parte II

26 ENZIMAS E REAÇÕES DA PARTE II Gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase: primeira formação energética: A reação 6 da glicólise é a oxidação e fosforilação do GAP pelo NAD + e Pi, catalisada pelo enzima gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase. Nesta reação (oxidação aldeídica), uma reação exergónica conduz à síntese do altamente energético 1,3-bofosfoglicerato (1,3-BPG). Fosfoglicerato-cinase: primeira formação de ATP: Na reação 7 da glicólise forma-se 1 ATP, sobrando 3-fosfoglicerato (3PG), numa reação catalisada pelo enzima fosfoglicerato-cinase. De notar a ligação Mg 2+ -ADP.

27 Fosfoglicerato-mutase: Na reação 8 da glicólise 3PG é convertido em 2-fosfoglicerato (2PG) pelo enzima fosfoglicerato-mutase. Um mutase cataliza a troca intramolecular de um grupo funcional de uma posição para outra. Enolase: segunda formação energética: Na reação 9 o 2PG é desidratado para fosfoenolpiruvato (PEP), numa reação catalisada pelo enolase. Piruvato-cinase: segunda formação de ATP: Na última reação (10) da glicólise, o enzima pirovato-cinase junta a energia livre resultante da quebra do PEP, sintetizando ATP e formando piruvato.

28 Três destinos possíveis para o Piruvato formado na Glicólise

29 PIRUVATO É O ACEITADOR TERMINAL NA FERMENTAÇÃO DO ÁCIDO LÁCTICO Quando os tecidos humanos não são fornecidos com oxigénio suficiente para suportar a oxidação aérobica do piruvato e do NADH produzidos na glicólise, o NAD + é regenerado pela redução do piruvato em lactato. (fígado ciclo de Cori).

30 ETANOL É O PRODUTO DA REDUÇÃO NA FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA Os microorganismos fermentam a glucose em etanol e CO 2, em vez de lactato. A glucose é convertida em piruvato pela glicólise, e o piruvato é convertido em etanol e CO 2 num processo de duas etapas:

31 CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO Etapa final do metabolismo dos glúcidos, lípidos e aminoácidos. É também chamado de ciclo de Krebs em honra de Hans Krebs, primeira pessoa a descrevê-lo. É um processo com 9 etapas (8+1). É um ciclo oxidativo. Requer oxigénio (Aeróbico)

32 SÍNTESE DO ACETIL-COEZIMA A O acetil-coenzima A é formado do piruvato através de descarboxilação oxidativa por um complexo multienzimático (grupo de enzimas associadas entre si não covalentemente que catalisam dois ou mais passos sequenciais de um processo metabólico) chamado desidrogenase pirúvica. Este complexo possui múltiplas cópias de três enzimas: E1, E2 e E3. O complexo desidrogenase pirúvica catalisa cinco reações sequenciais: O piruvato é oxidado a acetato, com a libertação de CO 2. Alguma energia da oxidação é conservada pela redução de NAD + a NADH. Parte da energia restante é armazenada temporariamente, adicionando a molécula de CoA Acetil-CoA.

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34 ENZIMAS E REAÇÕES DO CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO Reação 1: Citrato sintase O enzima citrato sintase medeia a reacção da Acetil-CoA e oxaloacetato a citrato. Reação 2: Aconitase Mediador da reacão de isomerização do citrato a isocitrato.

35 Reação 3: Isocitrato desidrogenase Este enzima conduz à descarboxilação oxidativa do isocitrato a α- cetoglutarato. Reação 4: a-cetoglutarato desidrogenase Esta reação é a reação de descarboxilação oxidativa do α-cetoglutarato a succinil-coa.

36 Recção 5: Succinil-CoA sintetase Hidrólise da succinil-coa a succinato por fosforilação do GTP. Reação 6: Succinato desidrogenase Desidrogenação estereoespecífica do succinato a fumarato.

37 Reação 7: Fumarase Hidratação estereoespecífica do fumarato a L-malato. Reação 8: Malato desidrogenase Oxidação do L-malato a oxaloacetato.

38 REGULAÇÃO DO CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO A disponibilidade de substratos, a inibição pelos produtos e a inibição por feedback por outros intermediários do ciclo, influenciam a operacionalidade deste ciclo. O ciclo á assim regulado por mecanismos de feedback, que coordenam a produção de NADH com o gasto energético.

39 NATUREZA ANFIBÓLICA DO CICLO DE KREBS Um trajecto metabólico ou é catabólico ou é anabólico. O ciclo de Krebs é catabólico, pois envolve degradação e é um importante sistema de conservação energético nos organismos. No entanto, muitos dos produtos intermediários deste ciclo são usados em biossíntese, ou seja, em reações anabólicas. O ciclo de Krebs é assim anfibólico (catabólico e anabólico em simultâneo).

40 Balanço global em termos de número de moléculas de ATP produzidas por molécula de glucose A energia do transporte eletrónico é conservada através da síntese de ATP pela fosforilação oxidativa: Por cada NADH são produzidas cerca de 2,5 moléculas de ATP. Por cada FADH 2 são produzidas cerca de 1,5 moléculas de ATP.

41 Fase NADH FADH2 ATP (formado) ATP (mobilizado) Glicólise 2 2,5 X 2 +2 = 7 ou 5* 2 Formação de Acetil CoA 2 2,5 X = 7 Ciclo de Krebs X 2,5 + 2 X 1,5 + 2 (GTP/ATP) = 20 SUB-TOTAL 34 ou 32 2 Total 32 ou 30 Nos músculos e no cérebro 3 ATP 30 ATP por molécula de glucose => 2 Ciclos de Krebs Uma molécula de glucose => 2 piruvatos

42 As três etapas do catabolismo das proteínas, ácidos gordos e hidratos de carbono na respiração celular. Etapa 1: oxidação dos ácidos gordos, glucose alguns aminoácidos produzem acetil-coa. Etapa 2: oxidação de grupos acetil no ciclo de Krebs inclui quatro passos onde os eletrões são abstraídos. Etapa 3: os eletrões são levados pelo NADH e FADH 2 são funilizados para uma cadeia de transportadores de eletrões mitocondriais cadeia respiratória reduzindo o O 2 a H 2 O. Esta corrente de eletrões leva à produção de ATP.

43 MITOCÔNDRIA A mitocôndria é um organelo celular que possui uma membrana externa permeável à maioria das micromoléculas e uma outra membrana interna, que contém uma vasta área de invaginações. O número de invaginações chama-se crista e reflete a atividade respiratória da célula, pois é aí que se dá o transporte eletrónico.

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45 FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA A fosforilação oxidativa é um processo pelo qual é formado ATP quando os eletrões são transferidos do NADH e do FADH 2 para o O 2, através de uma série de transportadores eletrónicos. A fosforilação ocorre na membrana interna da mitocôndria. O ciclo de Krebs e a oxidação dos ácidos gordos, que fornecem a maior parte dos cofatores reduzidos, dão-se na matriz mitocondrial. A oxidação e a fosforilação são processos acoplados.

46 A transferência eletrónica dá-se passo a passo, do NADH ou FADH 2 para o O 2, através de uma série de transportadores eletrónicos (I, III, IV), o que produz um bombardeamento de protões para fora da matriz mitocondrial. Gera-se assim uma força, que consiste num gradiente de ph e num potencial electroquímico transmembranar. O ATP é assim sintetizado quando os protões voltam a entrar na matriz mitocondrial através de um complexo enzimático (V-ATPase). A cadeia respiratória consiste em 3 complexos enzimáticos (I, III, IV), ligados por dois transportadores eletrónicos: CoQ e Citocromo C.

47 A energia livre libertada no transporte electrónico é conservada de modo a ser utilizada pelo ATPsintetase. Tal conservação energética é chamada de acoplamento energético de transdução de energia. Hipótese Quimiosmótica: Esta teoria pressupõe que á acoplamento do transporte eletrónico gerando a síntese de ATP devido à criação de um gradiente protónico na membrana mitocondrial interna.

48 Dados experimentais que comprovam a Teoria de Mitchell: 1. A fosforilação oxidativa requer membranas intatas. 2. A membrana mitocondrial interna é impermeável a iões, pois a sua livre difusão iria descarregar o gradiente electroquímico. 3. Durante o transporte eletrónico é gerado um gradiente protónico através da membrana. 4. Compostos que aumentam a permeabilidade da membrana a H+, dissipando assim o gradiente eletroquímico (desacopladores), permitindo o transporte eletrónico, mas parando a síntese de ATP. 5. O aumento artificial da acidez no exterior da membrana estimula a síntese do ATP.

49 FORÇA PROTOMOTRIZ Força protomotriz = Gradiente Químico ( ph) + Potencial da membrana (Em) G= 2.3 RT ph + Z ψ F Sendo: Z carga do protão ψ- potencial da membrana F- constante de Faraday ph = (ph matriz) (ph citosol)

50 METABOLISMO DO GLICOGÉNIO E GLUCONEOGÉNESE O glicogénio funciona nos animais como uma reserva de glucose (polimerizada) de fácil mobilidade, sendo uma constante fonte de glucose/energia para todos os tecidos. O glicogénio é armazenado principalmente no fígado. O glicogénio é assim um polímero de glicose, com ligações α-1,4 em cadeia e ligações α-1,6 para as ramificações (cada ramificação tem de 8 a 12 resíduos).

51 Grânulos e Estrutura do Glicogénio

52 Porquê glicogénio? 1. Regulação dos níveis de glucose no sangue, pois o gerado pelo metabolismo das gorduras é insuficiente. 2. Libertação da glucose entre refeições e durante a atividade muscular, pois os músculos não mobilizam a gordura tão rapidamente como o glicogénio. Porquê estrutura ramificada? 1. Maior solubilidade. 2. Maior número de pontos de metabolização, ou seja, vai possuir vários extremos não redutores por onde a remoção sequencial se dá, tendo por seu lado apenas um extremo redutor.

53 DEGRADAÇÃO DO GLICOGÉNIO A degradação do glicogénio dá-se através de um processo que inclui 3 enzimas: glicogénio fosforilase, transferase e fosfoglucomutase. 1. Glicogénio fosforilase

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55 2. Debranching enzyme (transferase) Este enzima remove as ramificações do glicogénio, tornando os resíduos de glicose acessíveis para a ação da enzima glicogénio fosforilase.

56 3. Fosfoglucomutase Converte G1P em G6P, que pode ter vários destinos metabólicos.

57 SÍNTESE E TRANSPORTE DA GLUCOSE

58 CONTROLO DO METABOLISMO DO GLICOGÉNIO A síntese e degradação do glicogénio são exergónicos em condições fisiológicas, logo, tal fato torna a sua regulação importante, de acordo com as necessidades celulares. Assim, o glicogénio fosforilase entra em competição com o glicogénio sintetase, consoante as necessidades do organismo em questão.

59 O controlo dá-se por: 1. Regulação alostérica: controlo da concentração de cada uma dos enzimas anteriores por inibidores. 2. Modificações covalentes, por controlo hormonal: Insulina, situado no fígado, estimula a síntese do glicogénio. Epinefrina (músculo) e glucagon (fígado), estimulam a degradação do glicogénio, mediada pelo AMP cíclico (camp). 3. Regulação em cascata: fosforilação/defosforilação/ controlo hormonal.

60 Para uma taxa de glucose baixa no sangue, temos:

61 Para uma taxa alta de glucose no sangue, temos:

62 CONTROLO DOS NÍVEIS DE GLUCOSE Insulina Hormona produzida pelas células beta do pâncreas. Armazenada como pro-insulina (forma inativa) sob a forma de pequenos grânulos. A sua libertação é desencadeada pelo aumento dos níveis de glucose no sangue. Estimula a absorção de glucose nos tecidos pela ligação a recetores na membrana celular. Permitindo assim a entrada de glucose na célula.

63 AÇÃO DA INSULINA

64 Glucagon Hormona produzida no pâncreas sob forma inativa. Baixos níveis de glucose resulta a sua conversão numa forma ativa e é libertada. A sua entrada nas células do fígado (hepatócitos) resulta na conversão do glicogénio em glucose. A glucose é libertada no sangue. Epinefrina Adrenalina hormona de emergência e combate. Também atua no sistema nervoso. Resulta uma prontidão rápida de todos os sistemas.

65 AÇÃO DO GLUCAGON E DA EPINEFRINA