aula1 introducao ao metabolismo 2014
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Aula 1 de Bioquimica II para o curso de C. Biológicas UENF 2014TRANSCRIPT
- 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