aula1 introducao ao metabolismo 2014

- é o estudo de moléculas e reações químicas que ocorrem nos organismos

vivos

- - é o estudo da estrutura, propriedades e modificações da matéria nos sistemas vivos (biomatéria).

BIOQUÍMICA GERAL : Biomoléculas

BIOQUÍMICA II: Metabolismo

Julho01 – Introdução ao Metabolismo

08 – Metabolismo de Carbohidratos I – Glicólise

15 – Metabolismo de Carbohidratos I – Ciclo do ácido cítrico

22 – Metabolismo de Carbohidratos I – Cadeia transportadora de elétrons e Fosforilação oxidativa

29 – P1

Agosto05 – Metabolismo de Carbohidratos II – Gliconeogênese

12 – Metabolismo de Carbohidratos II – Síntese e Degradação do Glicogênio

19 – Metabolismo de Carbohidratos II – Via das Pentoses-fosfato

26 – P2

Setembro02 – Metabolismo de Lipídeos – Beta-oxidação

09 – Metabolismo de Lipídeos – Síntese de ácidos graxos

16 – P3

23 – Metabolismo de aminoácidos – Ciclo da uréia

30 – Integração do metabolismo

Outubro07 – P4

14 – P final

* ATPs (Avaliação Teórica Presencial) e estudos dirigidos valem nota

Bibliografia:

• Material novo do CEDERJ

• Bioquímica - Voet&Voet

• Bioquímica - Stryer

• Princípios de Bioquímica de Lehninger (David L. Nelson

& Michael M. Cox)

Organismos vivos são complexos e altamente organizados; Organismos vivos são interdependentes; Estruturas Biológicas servem a propostas funcionais; Sistemas vivos tem notável capacidade de auto-replicação; Sistemas Vivos estão ativamente engajados em processos de transformação

de energia: eles se mantêm às custas de transformação da energia disponível

no seu ambiente; Reações biológicas ocorrem a temperatura, pressão e pH constantes, em um

ambiente aquoso.

1. CarboidratosCarboidratos - baseados em 7 principais monossacarídeos monossacarídeos

2. ProteínasProteínas - 5 × 106, baseados em 20 aminoácidosaminoácidos

3. Ácidos NucleicosÁcidos Nucleicos - 1,000, baseados em 4 nucleotídeosnucleotídeos

4. LipídeosLipídeos - grupo heterogêneo, grande parte baseado em ácidos graxos.

Valina, Serina, Treonina, Isoleucina

Ácido Láurico, ácido mirístico, ácido palmítico

Fosfatidilcolina, fosfatidilserina

Trealose, Frutose, Arabinose, sacarose Galactose,

Manose, Fucose

Aconitase, Alfacetoglutarato desidrogenase,

hexoquinase, sacarase, lipase,

DIRECIONALIDADE,

INFORMAÇÃO

ARQUITETURA TRIDIMENSIONAL

mantida por LIGAÇÕES FRACAS;

COMPLEXIDADE,

ORGANIZAÇÃO,

INTERDEPENDÊNCIA,

FUNCIONALIDADE,

AUTO-REPLICAÇÃO,

TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA;

A que “projeto” servem essas propriedades?

Como são mantidas?

Como são reguladas?

Como o micro determina o macro?

Reducionismo

Fatores de Transcrição

População

Individuo

Orgão, Tecido

Fisiologia

Bioquímica Genes

Estrutura Molecular

Seqüências Gênicas

SinalizaçãoCinética

Expressão Gênica

Redução Reconstrução

Fatores deTranscrição

População

Individuo

Orgão, Tecido

Fisiologia

Genes

EstruturaMolecular

SeqüênciasGênicas

SinalizaçãoCinética

Expressão Gênica

Grande número de componentes

Grande número de processos

Processos são não-lineares

Mudanças quantitativas nos parâmetros causammudanças quantitativas nas respostas

Desafios de Reconstrução(i.e., Biologia dos Sistemas:

Complexidade Organizacional

• Vários milhares de proteínas em E. coli• 6,000 genes em S. cerevisiae• 100 bilhões de componentes neuronais no cérebro• Centenas de trilhões de interconecções entre os neurônios• 5 octilhões* de átomos no corpo humano

5,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000

Fotótrofos usam luz para

dirigir a síntese de moléculas

orgânicas

Heterótrofos usam estas como

blocos de construção

CO2, O2, e H2O são reciclados

Energia que vem de fótons solares

altamente energéticos entram na biosfera

como luz visível e passam a existir como

calor que irradia de volta na superfície

gelada do espaço externo.

Entre a energia que entra e a que sai,

fótons são capturados pela fotossíntese. É

o início do processo que gera toda a vida

no planeta.

6 CO2+ 6 H2O + energia solar -> C6H12O6 + 6 O2

Calor para aquecer o corpo, não para o metabolismo

Energia eletromagnética capturada pela fotossíntese

PRODUTORES

Plantas verdes

Substancias essenciais abióticos

Solo, água e atmosfera

Água e Oxigênio

ConsumidoresHerbívoros

Carnívoros

Lixo

Energia dissipada como calor

Dióxido de Carbono

Quebra de matéria

orgânica

Decompositores

Centenas de reações enzimáticas organizadas em vias

metabólicas Substratos são transformados em produtos através de

muitos intermediários específicos

A soma das modificações químicas que ocorrem na

célula, que convertem nutrientes em energia e produtos

quimicamente complexos

Metabolismo

Vias consistem de passos sequenciais:

Ex: A B C D E F

Onde:

A é o substrato

F é o produto

B, C, D e E são os intermediários

Organização em Vias Metabólicas

As enzimas podem estar separadas ou

formar complexos multienzimáticos

Podem estar livres ou ser encontradas

como um sistema ligado à membrana

Existem indicações que os complexos

multienzimáticos sejam mais comuns

Enzimas catalisam cada reação de uma via metabólica

A velocidade da reação enzimática depende da

concentração de substrato

A afinidade de uma enzima pelo substrato é dada pelo Km

(constante de Michaelis)

Quanto maior o Km , menor a afinidade da enzima pelo substrato.

O Km de uma enzima é a concentração de substrato necessária para que a enzima atinja a metade da sua

velocidade máxima

A atividade de uma enzima pode variar em função do pH e temperatura

O metabolismo pode ser dividido em catabolismo e

anabolismo

Catabolismo: vias degradativas

Usualmente liberadoras de energia!

Anabolismo: vias biossintéticas

requeridoras de energia!

Vias Catabólicas convergem a uns poucos

produtos finais

Vias Anabólicas divergem para sintetizar

muitas biomoléculas

Vias Anfibólicas servem tanto para o

catabolismo quanto para o anabolismo -

Vias Anabólicas & Catabólicas envolvendo o mesmo produto

não são a mesma via!!!!!

Alguns passos podem ser comuns a ambas…. Outros podem ser diferentes - assegurar que cada via ocorra

espontaneamente Isto também permite mecanismos de regulação para desligar

um caminho e ligar outro. REGULAÇÃO É A PALAVRA CHAVE!!!!!!

A ATIVAÇÃO DE UM MODO É ACOMPANHADA PELA INIBIÇÃO DO OUTRO

MODO

MODO CATABÓLICO

MODO ANABÓLICO

Passo regulado

Passo regulado

+

+

MODO CATABÓLICO

MODO ANABÓLICO

Através de controle da expressão gênica

Por modificação covalente

fosforilação/defosforilação; ativação por proteólise,

Através de reguladores

Enzima alostérica

Inibição por feedback

Inibição competitiva

Inibição não competitiva

Inibição competitiva Inibição não competitiva

ATP

ATP é a moeda de energia das células

Fotótrofos transformam energia luminosa em energia química na forma de

ATP

Em heterótrofos, o catabolismo produz ATP, que dirige as atividades

celulares

O ciclo do ATP carreia energia da fotossíntese ou do catabolismo, para os

processos celulares que requerem energia

ADP + Pi ATP

O ciclo do ATP

NAD+ coleta os elétrons liberados no catabolismo

O Catabolismo é oxidativo - substratos perdem equivalentes redutores, usualmente íons H

Anabolismo é redutor - NADPH fornece poder redutor (elétrons) para os processos anabólicos

Proteína é uma fonte rica em nitrogênio e também fornece amino

ácidos essenciais

Carbohidratos fornecem energia e componentes essenciais para a

síntese de nucleotídeos e ácidos nucleicos

Lipídeos fornecem ácidos graxos essenciais que são componentes

chaves de membranas e também são importantes moléculas de

sinalização

Muitas vitaminas são "coenzimas" - moléculas que possibilitam

uma química não usual no sítio ativo da enzima

Vitaminas e coenzimas são classificadas como ”solúveis em

água" e ”insolúveis em água"

As coenzimas solúveis em água participam de muitas reações

enzimáticas

Todas usam a adenina somente para ligar a enzima!

Classes de coenzimas: piridina dinucleotídeos flavina mono- e di-nucleotídeos coenzime A

Estas coenzimas são carreadoras de dois electrons

Eles transferem o aníon hidreto (H-) para e dos substratos

2 importantes coenzimas nesta classe: Nicotinamida adenina dinucleotideo (NAD+)

Nicotinamida adenina dinucleotideo fosfato (NADP+)

Características estruturais e mecanísticas

O nitrogênio quaternário do anel da nicotinamida atua como um ralo de pia para os elétrons, o que facilita a transferência do hidreto

A tranferência de hidreto é sempre estereoespecífico!

Nicotinamida foi primeiro isolada em 1937 por Elvehjem na

Universidade de Wisconsin

Para impedir as confusões (e funções!), o nome niacina (de:

nicotinic acid vitamin) foi sugerido por Cowgill da Universidade

de Yale. (nicotinic acid, nicotinamide and nicotine)

Vitamina B2

Todas essas substâncias contêm ribitol e uma flavina ou um anel isoaloxazine

Formas ativas são flavina mononucleotideo (FMN) e flavina adenina dinucleotideo (FAD)

FMN não é um nucleotídeo verdadeiro FAD não é um dinucleotídeo

Flavinas são agentes transferidores de um ou dois elétrons

O nome "flavina" vem do latim flavius que significa ”amarelo"

A forma oxidada é amarela, semiquinonas são azuis ou vermelhas e a forma reduzida é sem cor

Ácido Pantotênico (vitamina B3) é um componente da Coenzima A

Funções: Ativação de grupos acil para transferência via ataque

nucleofílico ativação do alfa-hidrogênio do grupo acil por abstração

de um próton As duas funções são mediadas pelo sítio reativo que

apresenta o grupo SH- na CoA, que forma tioésters

adenina

Energia usada para o crescimento e produção

do animal, incluindo energia para se tornar

adulto, reproduzir e estocar energia na forma

de gordura

CRESCIMENTO

O que e quanto do que o animal come é convertido em equivalentes de enrgia

ALIMENTO

ATIVIDADE

FEZES URINA

Quanto de energia é usada nas atividades diárias. Pode ser dividido em: metabolismo de rotina energia usada para movimento e manutenção do corpo, encontrar o alimento, escapar dos predadores, nadar etc; e metabolismo de ação dinâmica específica energia usada para atividades fisiológicas específicas

Quanto de energia é perdida na forma de fezes. Alguns

alimentos são mais fáceis de dif]gerir e produzem menos

fezes

Energia perdida na forma de urina

É o estudo das transformações de energia que ocorrem nos organismos vivos.

A primeira característica termodinâmica de um organismo é que ele não é uma máquina usual.

Ele é um sistema isotérmico, o que significa que nenhum trabalho pode ser realizado por transferência de calor.

Que tipo de máquina é então um organismo vivo? Harold Morowitz considera 4 tipos de máquinas:

Bioenergética

As três primeiras, a máquina de Carnot, a

máquina industrial e a célula química, são

todas dispositivos de equilíbrio. As duas

primeiras máquinas operam por

transferência de calor

A célula química e a quarta, ambas longe

do equilíbrio, são candidatas a modelos de

sistemas vivos

Primeira Lei da Termodinâmica - energia não pode ser criada nem destruída, mas pode mudar de forma (ou qualidade).

∆H - entalpia∆S - entropia

http://www.mech.northwestern.edu/courses/389.S02/images/Junge.mov

Segunda Lei da Termodinâmica - a entropia do

universo está constantemente aumentando

Energia Livre - energia que pode realizar trabalho

∆G = ∆H - T ∆S

< 0 - espontanea 0 - no equilíbrio > 0 - não espontanea

∆Go – a energia livre muda em condições padrão (298 K, 1 M produto(s) and reagente(s), 1 atm, pH 7)

∆Go’ – em condições padrão a energia livre é chamada de energia livre padrão.

Reações Enzimáticas Acopladas - duas reações,

uma espontânea e uma não espontânea, são

acopladas por uma enzima, permitindo que a

reação inteira seja espontânea

A reação de fermentação em um organismo que produz lactato como único produto do metabolismo de glicose pode ser escrita como:

glicose <=> 2 lactato -47 kcal. mol-1 (-197 kJ. mol-1)

A reação da glicólise no citoplasma pode ser escrita como:

glicose + 2 Pi + 2ADP <=> 2 lactato + 2ATP + 2H2O-32.4 kcal. mol-1

A diferença entre essas duas reações é:

2 x ( ADP + fosfato inorgânico (Pi) <=> ATP + H2O )

2 x 7.3 kcal. mol-1

Enzima marcadora – Membrana plasmática – 5 – nucleotidase Aparato de Golgi – Tiamina pirofosfatase; glicosil transferaseMembrana interna mitocondrial – citocromo oxidaseMembrana externa mitocondrial – monoamina oxidaseLisossomo – fosfatase ácidaRetículo endoplasmático – glicose-6-fosfatasePeroxissomo – catalase, ácido urico oxidase

Estruturas Celulares – Glicólise – citoplasmaCiclo do ácido cítrico - MitocôndriaSíntese de Ácidos Graxos – citoplasmaOxidação de Ácidos Graxos – mitocôndria

Erros inatos do metabolismo Traçadores Radioativos Organismos geneticamente manipulados

Substratos marcados com uma forma isotópica de algum elemento pode ser introduzido em uma célula e usado para elucidar sequências metabólicas

Isótopos Radioativos: 14C, 3H, 32P Isótopos “pesados” estáveis: 18O, 15N

Organismos mostram uma similaridade marcante em suas principais vias metabólicas

Existem evidências de que toda vida descende de uma forma ancestral comum

Existe também uma diversidade significativa Autótrofos usam CO2; Heterótrofos usam carbono

orgânico; Fotótrofos usam luz; Chemótrofos usam Glc, matéria inorgânica & S