Metabolismo e Bioenergética

Metabolismo e Bioenergética

METABOLISMO Mas o que é metabolismo? Metabolismo é o nome que damos ao conjunto das reações químicas que ocorrem dentro das células. O fato é que todas as reações químicas que acontecem dentro das células dos seres vivos não violam qualquer lei química ou física: as transduções de energia obedecem a TODAS as leis da termodinâmica

O conjunto de reações químicas que ocorrem dentro das células é chamado de METABOLISMO e visa: Obter energia química pela degradação de nutrientes Converter os nutrientes em precursores de macromoléculas Organizar as pequenas moléculas em polímeros ou em moléculas complexas Formar e degradar moléculas necessárias a funções especializadas das células

As vias centrais do metabolismo são muito similares em quase todas as formas de vida

A questão central é a capacidade que os organismos vivos têm de conseguirem formas eficientes de aproveitar a energia potencial.

Bioenergética Estudo quantitativo das transformações de energia que ocorrem nas células vivas, bem como da natureza e função dos processos químicos nelas envolvidos. Ex. conversão da energia química em gradientes de concentração e elétrico, em movimento e em calor. Os processos que ocorrem nos seres vivos também obedecem as leis da termodinâmica.

Primeira lei da termodinâmica: princípio da conservação de energia. Para qualquer transformação física ou química, a quantidade total de energia no universo permanece constante, a energia pode mudar de forma ou ser transportada de uma região para outra; entretanto, ela não pode ser criada ou destruída.

Segunda lei da termodinâmica: tendência do universo à desordem crescente. Em todos os processos naturais, a entropia do universo aumenta. Entropia (S): expressão quantitativa da desordem de um sistema. Quanto menos complexo e mais desordenado forem as moléculas, maior será o ganho de entropia.

Energia livre de Gibbs (G): expressa a quantidade de energia capaz de realizar trabalho. G i S P G f ΔG = Gf - Gi ΔG = negativo, molécula do produto com menos energia (reação exergônica) ΔG = positivo, molécula do produto com mais energia (reação endergônica)

ΔG Variação de energia livre ΔH - Variação da entalpia ΔS Variação da entropia T - Temperatura Entalpia (H): conteúdo de calor do sistema reagente refletindo o número e os tipos de ligações químicas nos reagentes e nos produtos. ΔH = negativo, há liberação de calor reação exotérmica ΔH = positivo, o sistema absorve energia na forma de calor - reação endotérmica + Considerando a 2ª lei da termodinãmica... ΔG = ΔH - TΔS ΔG negativo ESPONTÂNEA

Variação de energia livre padrão está relacionada com a constante de equilíbrio. A composição de um sistema reagente tende a variar até que o equilíbrio químico seja atingido. Constante de equilíbrio aa + bb cc + dd Fotossíntese 6 CO 2 + 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 G = + 2850 KJ/mol Respiração C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O G = - 2850 KJ/mol

Acoplamento de energia reações exergônicas (espontâneas) X reações endergônicas Ex: Glicose + P i Glicose 6P + H 2 O G = 13,8 kj/mol ATP +H 2 O ADP + P i G = -30,5 kj/mol Glicose + ATP Glicose 6P + ADP G = -16,7,5 kj/mol

Adenina Trifosfato (ATP) As células heterotróficas obtêm energia pelo catabolismo durante o processo exergônico sintetizando ATP a partir de ADP e P i. O ATP fornece a energia química para as células durante o processo endergônico. A energia do ATP é utilizada para formação de macromoléculas a partir de precursores menores, transporte de substâncias contra o gradiente de concentração, movimento mecânico, geração de calor.

Base química da alta liberação de energia livre pela hidrólise de ATP

A forma pela qual o ATP fornece a energia que possibilita uma reação química nem sempre é uma simples hidrólise

Fosfocreatina Durante o período de contração ativa a fosfocreatina regenera o ATP. Após o exercício a fosfocreatina é ressintetizada a partir da creatina e ATP.

Composto de alta energia, na glicólise, fornece o fosfato para a formação do ATP. Fosfoenolpiruvato PEP 1,3 bisfosfoglicerato 1,3 BPG

Compostos de alta energia G º hidrólise < -25 kj/mol

Em reações químicas, o fluxo de elétrons é capaz de gerar energia Reações de óxido redução Nas reações químicas podem ocorrer transferência de elétrons de uma molécula para outra. Coenzimas, NAD +, NADP + e FAD +, são moléculas hidrossolúveis que sofrem redução e oxidação. As coenzimas recebem um íon hidreto (:H - ) sendo transformada na sua forma reduzida. NAD + + 2e - + 2H + NADH + H +

Coenzimas transportadoras de elétrons

Características gerais das vias metabólicas IRREVERSIBILIDADE DIRECIONAMENTO ECONOMIA DOS INTERMEDIÁIOS REGULAÇÃO

IRREVESSIBILIDADE Tem um passo irreversível (termodinamicamente muito favorável G«0), no início da via, que serve para comprometer a direção do fluxo e assegurar a irreversibilidade Reação irreversível nas condições celulares

Características das rotas metabólicas: - Irreversibilidade - Direcionamento - Economia dos intermediários - Regulação Várias etapas existem para oxidar a glicose más somente uma faz sentido nas transformações químicas necessárias para a célula

Características das rotas metabólicas: - Irreversibilidade - Direcionamento - Economia dos intermediários - Regulação Intermédiários que participam de forma reversível nas reções de oxido-redução como transportadores de életrons GLICERALDEÍDO 3-P DESIDROGENAE

Características das rotas metabólicas: - Irreversibilidade - Direcionamento - Economia dos intermediários - Regulação Limitado pelo substrato (reação em equilíbrio). Limitado pela enzima (reação exergônica) passo limitante da via.

Características das rotas metabólicas: - Irreversibilidade - Direcionamento - Economia dos intermediários - Regulação Enzimas específicas (pelo menos uma) para catalisar apenas anabolismo ou catabolismo.

CARBOIDRATOS

CARBOIDRATOS (HIDRATOS DE CARBONO) ESTRUTURA RECONHECIMENTO REGULAÇÃO ENERGIA ESTRUTURA: Participa na composição da matriz extracelular e em paredes celulare RECONHECIMENTO: identificação de células pelo sistema imune REGULAÇÃO: enzimas podem ser glicosiladas e mudar de localização na célula ENERGIA: fornecimento de energia (glicólise) ou armazenamento

CARBOIDRATOS (DEFINIÇÃO) Poli-hidroxi-cetonas ou Poli-hidroxi-aldeídos. Fórmula empírica: (CH 2 O) n CLASSIFICAÇÃO: Monossacarídeos Oligossacarídeos (dissacarídeos) Polissacarídeos (>20 unidades)

MONOSSACARÍDEOS Carbonos ligados por ligações simples na forma aberta. Os mais simples são as trioses: Grupo carbonila: aldoses (no fim da cadeia do carbono) ou cetoses Pelo número de carbonos: trioses, tetroses, pentoses... O mais abundante é a glicose (aldohexose)

ALDOSES

CETOSES

ENANTIÔMEROS Todos os monossacarídeos, com exceção da dihidroxiacetona, apresentam um ou mais carbono assimétrico. Por convenção, uma forma é chamada isômero D e a outra isômero L

ESTRUTURAS CÍCLICAS Em solução, carbonos com 5 ou mais carbonos formam estruturas cíclicas semelhantes ao pirano e furano:

MONOSSACARÍDEOS MODIFICADOS Além dos monossacarídeos discutidos até aqui, organismos apresentam uma série de hexoses derivadas. Nesses casos, um grupo hidroxil é substitído por outros grupos ou a carbonila é oxidada gerando uma carboxila. Outra modificação importante é a fosforilação. Glicose 6-P

OLIGOSSACARÍDEOS Formados pela ligação de dois ou mais monossacarídeos. Forma-se uma ligação O-glicosídica. Os mais comuns são os dissacarídeos. Glicose + frutose Açúcar de mesa (cana de açúcar) Glicose + Galactose Leite Glicose + Glicose Vegetais

POLISSACARÍDEOS Formados pela ligação de mais de 20 monossacarídeos. Podem formar cadeias lineares ou ramificadas. Homopolissacarídeos: amido, glicogênio, celulose, quitina Heteropolissacarídeos: peptidoglicanas (parede de bactérias)

É necessário de energia para manter as moléculas do sistema em ordem. Energia Calor

PRINCIPAIS PROCESSOS ONDE OCORRE CONSUMO DE ATP 1 Estágios iniciais da degradação de nutrientes Glicose + ATP Glicose-6P + ADP palmitato + CoA palmitoil CoA + AMP + 2 P i 2 Interconversão de nucleosídios tri- fosfato ATP + NDP ADP + NTP 3 Processos fisiológicos tais como: Transporte ativo Contração muscular Biossíntese de proteínas Replicação do DNA 4 Garantindo reações altamente endergônicas

PRINCIPAIS PROCESSOS ONDE OCORRE PRODUÇÃO DE ATP 1. Fosforilação ao nível do substrato 2. Fosforilação oxidativa 3. Fotofosforilação 4. Reação da adenilato quinase ADP ATP + AMP ATP NÃO É ESTOCADO o tempo de meia vida do ATP varia de alguns minutos a segundos, dependendo da célula; O suprimento de ATP do cérebro é suficiente para poucos segundos de atividade celular;