BIOL O G I A

B i o q u í m i c a I I

P r o f a . M a r i a C r i s t i n a H a l l a

2a edição | Nead - UPE 2013

Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP)Núcleo de Educação à Distância - Universidade de Pernambuco - Recife

Halla, Maria CristinaBiologia: bioquímica 2/ Maria Cristina Halla. – Recife: UPE/NEAD, 2011. 93 p.

1. Bioquímica 2. Biologia 3. Educação à Distância I. Universidade de

Pernambuco, Núcleo de Educação à Distância II. Título

CDD – 17ed. – 574.192 Claudia Henriques – CRB4/1600

BFOP-115/2011

H174b

UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO - UPE

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NEAD - NÚCLEO DE ESTUDO EM EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA

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Visão Geral do MetabolisMo

Profa. Maria Cristina Halla Carga Horária I 4 H

obJetiVo Geral

Estudar o metabolismo de macromolécu-las, ou seja, a forma como as moléculas são degradadas, reconstruídas e transformadas em outras substâncias nos seres vivos assim como a obtenção de energia.

obJetiVos esPeCÍFiCos

1. Entender o significado das variações de energia livre e sua relação com as cons-tantes de equilíbrio.

2. Reconhecer que a adenosina trifosfosto - ATP - participa com freqüência, das reações acopladas.

3. Compreender que cofatores reduzi-dos, compostos fosforilados e tio-és-teres atuam como moeda de energia da célula.

4. Entender como as moléculas alimen-tares são digeridas, absorvidas e mo-bilizadas.

5. Reconhecer que as vias catabólicas produzem poucos tipos intermediários que também são utilizados em vias anabólicas.

6. Reconhecer que os elétrons liberados nos processos oxidativos podem ser transferidos para os cofatores.

Palavras-chaves: autotrófico/ heterotrófico/ metabolismo/ catabolismo/ anabolismo/ energia livre/ termodinâmica/ entalpia/ en-tropia/ ATP.

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6iNtrodUÇão

Este capítulo inicia o estudo dos principais temas do metabolismo, os processos pelos quais os organismos consomem e produzem matéria e energia durante a síntese e a degradação de bio-moléculas. Serão apresentados alguns processos metabólicos comuns aos vegetais, animais e bactérias, focalizando, principalmente, os mamíferos. Apresentaremos uma visão geral de como as moléculas – aminoácidos, lipídeos, glicídeos e nucleotídeos – são degradadas, reconstruídas e transformadas em outras substâncias. Será mostrado, também, o significado e a importância da energia nas reações metabólicas.

PesQUise e resPoNda

1. Quando o catabolismo supera em atividade o anabolismo, o que acontece com o peso do indivíduo?

2. Qual a importância dos seres autotróficos no planeta terra devido ao aquecimento global?

1. Visão Geral do MetabolisMo e sUas Fases CoNstitUiNtes: CatabolisMo e aNabolisMo

As células degradam moléculas grandes em moléculas pequenas - num processo denominado catabolismo - liberando energia livre. A seguir, as células utilizam a energia livre e as moléculas pequenas para construírem moléculas maiores num processo chamado anabolismo. O conjunto de todas as atividades catabólicas e anabólicas compõem o metabolismo do organismo (Fig. 1). As células processam o metabolismo com dois objetivos principais:

1. Obter energia a partir de macromoléculas da dieta para manter suas funções vitais;

2. Proporcionar às células unidades fundamentais para a síntese de macromoléculas essenciais ao desempenho de suas funções.

De acordo com a forma química, através da qual os seres vivos obtêm os átomos de carbono do meio ambiente, os organismos vivos podem ser divididos em dois grandes grupos. Os autotróficos (bactérias fotossintetizantes e plantas superiores) podem usar o CO2 da atmosfera como sua única fonte de carbono, com a qual eles constroem todas as suas biomoléculas, contendo átomos de carbono (ver Fig. 1). Os heterotróficos precisam obter átomos de carbono do meio ambiente na forma de moléculas orgânicas relativamente complexas, como a glicose. As células dos animais superiores, e a maioria dos microrganismos são heterotróficos.

Energia contidas nos nutrientesCarboidratos

Lipídios Proteínas

CATABOLISMO

Produtos finaisCO2H2ONh3

MacromoléculasProteínas

PolisacarídeosLipídios

Ácidos Nucléicos

ANABOLISMO

Moléculas Precursoras

AminoácidosMonossacarídeos

Lipídios Bases Nitrogenadas

ADP+ HPO24

NAD+

NADP+

FAD

ATP

NADH

NADPHFADH2

EnergiaQuímica

SeresAutotróficos

SeresHeterotróficos

O2

CO2

ProdutosOrgânicos

Figura 1. A reciclagem dos gases dióxido de carbono (CO2) e do oxigênio (O2) e as fases do metabolismo. Os domínios autotró-ficos (fotossintéticos) e heterotróficos da biosfera trocam CO2 e O2 constantemente. As vias catabólicas liberam energia química (ATP, NADH, NADPH e FADH2) e pequenas moléculas. A energia química obtida do catabolismo é empregada nas vias anabólicas para reunir pequenas moléculas precursoras em moléculas celulares.

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Esta reação evoluirá espontaneamente, libe-rando energia, no sentido de A para B. Então a variação de energia livre (∆G) é negativa, e a reação é chamada “exergônica”, pois ela for-nece energia ao meio exterior.

No sentido inverso, ou seja, de B para A, a va-riação de energia livre é, portanto, positiva. A reação é dita ”endergônica”, porque capta energia do meio exterior. 2.2 CoMPostos CoM liGaÇão FosFato de alto PoteNCial eNerGÉtiCo

• Adenosina trifosfato (ATP)

A variação de energia livre-padrão pode ser calculada. O Quadro 1 mostra a energia livre--padrão de algumas moléculas químicas.

A hidrólise de uma molécula de adenosina tri-fosfato - ATP em adenosina difosfato - ADP e fosfato inorgânico (ATP ADP+Pi) gera uma variação-padrão de energia livre negativa e elevada (da ordem de -30,5 kJ/mol), o que significa que essa molécula tem um potencial energético de 30,5 kJ, energia utilizada para a realização de processos endergônicos.

As células autotróficas são auto-suficientes, enquanto que as heterotróficas dependem de produtos complexos de outras células para subsistir. Quanto à troca de gases, as células autotróficas liberam O2, ao contrário das hete-rotróficas, que liberam CO2.

2. VariaÇão de eNerGia liVre eM reaÇÕes

MetabÓliCasAs reações catabólicas tendem a liberar ener-gia, e as reações anabólicas tendem a consu-mi-la. Como abordaremos a seguir, as duas primeiras leis da termodinâmica são aplicadas às células.

PesQUise e resPoNda

1. Qual a importância da creatina fosfato em movimentos que necessitam de rapidez e força?

2. Explique como o vagalume utiliza o ATP para produzir a bioluminescência.

2.1 as leis da terModiNÂMiCa

A primeira lei afirma que a energia total de um sistema e do seu meio ambiente permanece constante. Uma molécula de glicose, ao ser oxidada em presença de oxigênio, libera CO2

e parte da energia é dissipada, na forma de calor, para o ambiente. A energia (Q) contida em uma molécula é denominada de entalpia (H), e a variação de entalpia (∆H) é igual a Q, quando não há trabalho efetuado (W = 0; ∆H = Q - W) (primeira lei da termodinâmica). Nes-te exemplo, a energia é liberada, a variação de entalpia é negativa, e a reação é denominada exotérmica. Em uma célula, tal degradação é feita através de numerosas reações enzimáti-cas, liberando energia para o ambiente celular.

A segunda lei da termodinâmica postula que a entropia (S) total de um sistema tende a au-mentar em todos os processos que evoluem espontaneamente. A entropia (S) representa o estado de desordem de um sistema. A mo-

A B

lécula de glicose, que contém seis átomos de carbono, passa de um estado organizado, que permite a manutenção de sua estrutura quími-ca, para um estado desorganizado, na forma de seis moléculas de CO2. A variação de entro-pia (∆S) é diretamente proporcional à quanti-dade de energia contida na molécula (S = Q/T; segunda lei da termodinâmica), em que T é a temperatura absoluta. Esta variação de entro-pia precisa ser positiva, para que uma reação evolua espontaneamente. A variação de ener-gia livre (isto é, energia útil) é definida através da equação:

∆G = ∆H - T∆S

Tal variação de energia (∆G) precisa ser negati-va, para que a reação evolua espontaneamen-te: de fato, a variação de entalpia (∆H) neces-sita ser negativa, e a de entropia (∆S), positiva.Imagine a transformação de uma molécula A em outra molécula B.

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8um radical fosfato, sendo essa reação termo-dinamicamente desfavorável (∆Go’ = +13,8 kj.mol-1):

Assim, o valor de ∆G é sempre menor que zero para as reações catabólicas e ∆G será sempre maior do que zero nas reações anabólicas.

Em uma célula, reações catabólicas e anabóli-cas não estão isoladas, mas unidas, de modo que a energia de uma reação termodinamica-mente favorável é transferida para uma segun-da reação desfavorável, a fim de permitir que essa última ocorra. Geralmente, a adenosina trifosfato (ATP) encontra-se envolvida nessas reações, denominadas de reações acopladas.

O ATP contém duas ligações de anidrido fos-fórico de alta energia, também denominadas ligações fosfato “ricas em energia”. (Fig. 2)

FIGURA 2. Adenosina trifosfato. O segundo e o terceiro radical fosfato do ATP estão unidos por ligações de anidrido fosfórico. Uma reação, na qual uma ou duas fosforilas são transferidas a outro composto (uma reação, na qual é clivada uma ligação ani-drido fosfórico), apresenta um grande valor negativo de ∆Go´. FONTE: Pratt & Cornely, Guanabara Koogan, 2006.

Quadro 1. Variação-padrão de energia de hidrólise de algumas moléculas fosforiladas

Molécula ∆G°, (KJ.mol-1)

Fosfoenolpiruvato -61,9

Creatina Fosfato -49,3

ATP (=>ADP + Pi) -30,5

Gligose 6-Fosfato -13,9

A clivagem de uma dessas ligações, isto é, a transferência de um ou de dois de seus radicais fosfatos para outra molécula – é uma reação que apresenta uma grande variação padrão--negativa de energia livre.

O exemplo abaixo ilustra o papel do ATP em uma reação acoplada, em que a glicose recebe

Glicose + Pi glicose-6-fosfato + H2O

Mas a hidrólise do ATP é uma reação espontâ-nea (∆Go’ = -30,5 kJ.mol-1):

ATP + H2O ADP + Pi

Quando as suas reações são combinadas, os valores de ∆Go’ são adicionados:

∆Go’Glicose + Pi glicose-6-fosfato + H2O + 13,8 KJ.mol-1

ATP + H2O ADP + Pi - 30,5 KJ.mol-1

Glicose+ATP glicose-6-fosfato +ADP - 16,7 KJ.mol-1

Portanto, a reação global para a fosforilação da glicose é termodinamicamente favorável in vivo, pois, na célula, ela ocorre acoplada à hi-drólise do ATP.

Como o ATP impulsiona muitas reações termo-dinamicamente desfavoráveis, ele é visto como um agente que transfere um pacote de energia livre de uma reação que produz ATP para uma reação que o consome. Esta é a razão, porque o ATP é geralmente denominado de moeda de energia da célula. O papel geral do ATP em li-gar os processos catabólicos exergônicos aos processos anabólicos endergônicos pode ser esquematizado como mostrado a seguir:

Nutriente

Catabolismo

Produto

PrecursorProduto de

excreção

ADP + Pi

ATP

Anabolismo

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9As duas ligações anidrido fosfórico do ATP não são diferentes de outras ligações covalentes. Porém, a clivagem dessas ligações apresenta uma grande variação negativa de energia li-vre, liberando uma quantidade considerável de energia.

• Cofatores reduzidos

Os carreadores de NAD+ e FAD colhem os elé-trons de substratos reduzidos e se transformam em cofatores reduzidos. A seguir, transferem seus elétrons para outro substrato oxidado (ver capítulo 6, de Bioquímica I). Desse modo, par-te da energia liberada na oxidação do primeiro substrato pode ser utilizada para impulsionar a redução de um segundo substrato.

3. aliMeNto, FoNte de eNerGia e elÉtroNsApós o alimento ser digerido e absorvido, ele se torna uma fonte de energia metabólica e de materiais para sustentar o crescimento e outras atividades do animal. A dieta humana inclui po-lissacarídeos, proteínas, ácidos nucléicos, além dos triacilgliceróis. A digestão reduz os polí-meros a seus monômeros componentes: oses, aminoácidos, nucleotídeos e ácidos graxos.

Imediatamente após uma refeição, as concen-trações dos compostos monoméricos são ele-vadas. Algumas oses são imediatamente cata-bolizadas, produzindo energia livre. Algumas são utilizadas para sintetizarem glicogênio, o polímero de armazenamento da glicose, prin-cipalmente no fígado e no músculo. Os ácidos graxos são utilizados para a síntese de triacil-gliceróis nos adipócitos. Os aminoácidos não podem ser armazenados na forma de peptíde-os, muito menos na forma de proteínas, como acontece com o glicogênio e os triacilgliceróis. Contudo, durante o jejum prolongado, as pro-teínas são catabolizadas, para suprir as neces-sidades energéticas do organismo. Quando essas reservas alimentares se exaurem, o or-ganismo mobiliza suas moléculas de reserva, glicogênio e triacilgliceróis (e, algumas vezes, proteínas), a unidades monoméricas respec-tivas. Em resposta a essa demanda, o fígado degrada glicogênio e libera glicose para os te-cidos periféricos. Os aminoácidos não são me-tabolizados para gerar energia, exceto durante o jejum.

Plantas e algas se alimentam de materiais mui-to simples, como sais minerais, CO2 e H2O, re-tirando sua energia do solo e, com ela, satis-fazem suas necessidades tanto para funcionar quanto para produzir suas próprias substân-cias. As plantas proporcionam ao homem ma-teriais e a energia contida em suas ligações, o que o ajuda a sobreviver.

resUMoA termodinâmica lida com as variações de energia que determinam se um processo vai

Substrato 1(reduzido)

Substrato 1(oxidado)

Substrato 2(reduzido)

Substrato 2(oxidado)

Cofator(oxidado)

Cofator(reduzido)

Em seguida, o cofator reduzido é oxidado por transferir seus elétrons ao O2, a energia livre é recuperada e utilizada para impulsionar a formação de ATP pela fosforilação oxidativa (processo que será estudado nos próximos ca-pítulos).

• Compostos fosforilados

Alguns compostos fosforilados, além do ATP, liberam grandes quantidades de energia, quando são clivados. (Ver quadro 1)

• Tio-ésteres

O principal exemplo dessa classe é o acetil--CoA. A coenzima A tem grupo sulfidrila - SH (Ver estrutura no capítulo 6, Bioquímica 1). Este grupo reage com a carboxila de uma acila ou acetila (o “A” da coenzima A), numa reação endergônica. Quando ocorre hidrólise desta ligação, há liberação de energia, pois ela tem um valor de ∆Go de -31,5 kJ.mol-1.

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10ou não acontecer. Em um processo espontâ-neo (aquele que vai acontecer), a energia livre diminui (∆G é negativo), e a entropia do uni-verso aumenta.

As reações das biomoléculas na célula consti-tuem o metabolismo. A quebra de moléculas grandes em moléculas pequenas é denomina-da de catabolismo. As reações de moléculas pequenas, levando à produção de moléculas mais complexas, constituem o anabolismo. O catabolismo e o anabolismo são constituídos de vias metabólicas separadas e distintas. O metabolismo é a base bioquímica de todo o processo da vida.

O catabolismo é um processo oxidativo, que libera energia; o anabolismo é um processo re-dutivo que consome (requer) energia. Muitas reações redox, importantes biologicamente, envolvem coenzimas, como o NAD+ e o FAD.

O acoplamento de reações produtoras de energia e reações que requerem energia é uma característica central no metabolismo de todos os organismos. O metabolismo aeróbico é o meio mais eficiente de utilizar a energia quími-ca, proveniente dos nutrientes do que o meta-bolismo anaeróbico.

A hidrólise exergônica de ligações de alta “energia” do ATP libera a energia necessá-ria para impulsionar as reações endergônicas redutoras de síntese de compostos (nas vias anabólicas).

O catabolismo ocorre em vários estágios, o que permite uma produção e uma utilização mais eficiente da energia.

PesQUise e resPoNda

1. Qual a importância dos cofatores NADH e FADH2 nas reações metabólicas? Por que eles precisam ser reoxidados pelo oxigênio molecular?

2. Por que as variações de energia livre têm de ser negativas para as reações ocorrerem espontaneamente e in vivo?

3. Como se denomina o metabolismo oxida-tivo e o metabolismo sintetizante dos seres vivos?

HiPerteXtos

sUor e eXerCÍCio

Os animais, incluindo os seres humanos, ge-ram calor, mesmo em repouso, devido à sua atividade metabólica. Parte desse calor é per-dida para o ambiente por radiação, convec-ção e condução, pela vaporização de água. A evaporação tem um efeito de resfriamento, porque em torno de 2,5 kJ de calor são elimi-nados para cada grama (mL) de água perdida. Nos seres humanos e em certos animais, um aumento de temperatura da pele dispara a ati-vidade de glândulas sudoríparas, que secretam uma solução contendo aproximadamente 50 mM de Na1+, 5 mM de K1+ e 45 mM de Cl1- por litro (nos seres humanos). O corpo é resfriado, quando o suor evapora-se de sua superfície.

O suor é o principal mecanismo para dissipar o calor gerado, quando o organismo está em grande atividade. Durante um exercício vigo-roso ou esforço em altas temperaturas am-bientais, o corpo pode sofrer uma perda de até 2 litros de suor por hora. O treinamento de atletas não só melhora o desempenho dos músculos e do sistema cardiopulmonar mas também aumenta a capacidade de transpira-ção, para que o atleta comece a transpirar em uma temperatura mais baixa da pele e perca menos sal através das secreções das glândulas sudoríparas. Não importa o tipo de treinamen-to, mas uma perda de líquido que represente mais de 2% do peso do corpo pode prejudicar a função cardiovascular.

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11Os atletas raramente bebem água o bastante antes ou durante o exercício. O ideal é que a ingestão de líquido seja equivalente às perdas pela transpiração. Assim, o que deve beber um atleta consciencioso? Para atividades que durem menos que 90 minutos, especialmen-te quando períodos de alta intensidade alter-nam com breves períodos de repouso, água pura é o suficiente. Bebidas comerciais para esportistas, contendo glicídeos e sal (Na1+ e Cl1-), podem substituir a água pura, pois for-necem energia e repõem os eletrólitos perdi-dos na transpiração. Entretanto, esse reforço glicídico e salino só pode ser uma vantagem durante a atividade prolongada e contínua, como em uma maratona, quando as reservas do corpo são esgotadas. A maioria dos atletas não necessita do suplemento de sal. Uma dieta normal contém suficientes para compensar as perdas pela transpiração.

reFerÊNCiaKamoun, Pierre; Lavoine, Alain e Verneuil, Hu-bert. Bioquímica e biologia molecular, Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2006.

Pratt, Charlotte W; Cornely, Kathleen. Bioquí-mica essencial, Rio de Janeiro: Guanabara Koo-gan, 2006.

Lehninger, A.L., Nelson, D.L. e Cox, M.M. Prin-cípios de bioquímica, São Paulo: Sarvier, 1995.

Campbell, Mary K. Bioquímica, Porto Alegre:

3.ed, Artmed, 2000.

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MetabolisMo da GliCose

obJetiVos esPeCÍFiCos

• Reconhecer que a primeira fase da glicó-lise necessita de investimento de energia livre, enquanto a segunda fase produz energia livre.

• Reconhecer que o piruvato pode ser a se-guir oxidado ou utilizado como um pre-cursor de outras moléculas.

• Apresentar as reações da gliconeogênese que não são o inverso exato das reações da glicólise.

• Reconhecer que a glicólise é uma via pro-dutora, enquanto que a gliconeogênese é consumidora de energia.

• Descrever a glicogênese e a glicogenólise.

• Relacionar os hormônios que regulam a glicólise e a gliconeogênese.

• Entender que a via pentose fosfato é uma via catabólica de oxidação de glico-se, além de produzir NADPH.

• Relacionar a função das vias do metabo-lismo da glicose.

Palavras-chaves: glicólise/ via glicolítica/ gli-cose/ glicogênio/ glicogênese/ glicogenólise/ gliconeogênese/ via pentose fosfato.

Profa. Maria Cristina Halla Carga Horária I 10 H

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14iNtrodUÇão

A glicose ocupa uma posição central no metabolismo, na maioria das células. Além de a glicose ser uma fonte de energia metabólica, ela também fornece precursores para a síntese de outras biomoléculas.

O metabolismo simplificado da glicose é mostrado na Fig.1. As vias metabólicas em destaque incluem a interconversão da glicose, um monossacarídeo, à sua forma polimérica, o glicogênio; a degradação da glicose a piruvato, o intermediário com três átomos de carbono (via glicolítica); a síntese da glicose a partir de compostos menores (gliconeogênese) e a conversão de glicose em uma ose com cinco átomos de carbono, a ribose (via das pentoses fosfato). Para cada uma des-sas vias, serão apresentados intermediários e algumas enzimas relevantes. Também abordaremos como algumas dessas vias metabólicas são reguladas.

1. GliCÓliseA glicólise é uma via metabólica composta por uma série de 10 reações enzimáticas, nas quais a glicose, molécula com seis átomos de carbo-nos, é degradada a duas moléculas de um com-posto com três carbonos, o piruvato (Fig. 2).

Figura 1 O metabolismo da glicose. (1) O polissacarídeo glicogênio é degradado à glicose, que é a seguir cataboli-zada pela glicólise (2) até piruvato, um intermediário com três carbonos. Gliconeogênese (3) é a via para a síntese de glicose a partir de pequenos precursores. A seguir, a glicose pode ser incorporada em glicogênio (4). A conversão de glicose a ribose, um componente de nucleotídeos não é mostrada neste esquema. FONTE: PRATT & CORNELY, 2006.

As reações da glicólise estão divididas em duas fases. Na primeira fase (fase endergônica), a glicose é fosforilada e clivada ao meio, origi-nando duas trioses-fosfato. Na segunda fase (fase exergônica), as moléculas de três átomos de carbono são convertidas a piruvato. Cada reação é catalisada por uma enzima diferente, e o nome de cada uma delas está relacionado ao seu substrato.

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Figura 2. A glicólise. (a) As fases endergônica e exergônica da glicólise e (b) As reações da glicólise. FONTE: Adaptado de www.cer.jhn.edu/images/image/glucolysis(1).jpg

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161ª Fase da glicólise: investimento de energia

Nesta fase, há investimento (consumo) de energia livre na forma de duas moléculas de ATP. Cinco reações compõem essa fase.

Inicialmente, a enzima hexocinase transfere um radical fosfato do ATP para a hidroxila em C6 da glicose, formando a glicose-6-fosfato. Uma cinase é uma enzima, que transfere um radical fosfato do ATP (ou de outro nucleosí-deo trifosfato) para outra substância. Como essa reação é metabolicamente irreversível, a glicose 6-fosfato não pode voltar a se trans-formar em glicose. Além disso, a glicose é uma molécula eletricamente neutra, e a adição de um radical fosfato a essa molécula a torna car-regada negativamente. Isso impede que a gli-cose saia da célula.

A seguir, a glicose é isomerizada à frutose-6--fosfato. Na terceira reação, outra cinase (a fosfofrutocinase) transfere um radical fosfato à frutose-6-fosfato, originando frutose-1,6-di-fosfato. A fosfofrutocinase opera de maneira semelhante à hexocinase, catalisando também uma reação irreversível.

A seguir, a aldolase cliva a frutose-1,6-difos-fato em duas moléculas trioses fosforatadas, mas apenas uma deles – o gliceraldeído-3--fosfato – continua através do restante da via. A di-hidroxiacetona fosfato, a outra triose fosfatada, é convertida em gliceraldeído-3--fosfato por outra isomerase. Observe que até aqui, houve consumo de 2 ATPs (reações 1 e 3 da fig. 2a).

2ª Fase da glicólise: rendimento de energia (re-ações 6 a 10)

Essa fase transforma o gliceraldeído-3-fosfa-to em piruvato. O gliceraldeído-3-fosfato é oxidado, fosforilado e oxidado por ação da enzima gliceraldeído-3-fosfato desidrogena-se, que usa o cofator NAD+, reduzindo-o a NADH. O produto dessa reação é o 1,3-bifos-foglicerato.

Mais adiante, veremos que o NADH, que é uma forma de “moeda corrente de energia”, precisa ser reoxidado por duas razões:

• Para regenerar NAD+ para que a glicólise não cesse; e

• Para gerar ATP (energia).

Em seguida, o 1,3-bifosfoglicerato perde um radical fosfato e libera energia na forma de ATP e 3-fosfoglicerato. A enzima, que catalisa esta reação, é uma cinase. Esta reação é um exemplo de reação acoplada.

Na reação seguinte, o 3-fosfoglicerato é isomerizado em 2-fosfoglicerato para, logo depois, ser desidratado a fosfoenolpiruvato (PEP).

Na última reação da glicólise, a piruvato cinase transforma o fosfoenolpiruvato em piruvato e transfere um radical fosfato ao ADP, produzin-do ATP. Essa é terceira reação irreversível que ocorre na glicólise.

PesQUise e resPoNda

1. Uma das funções do flúor é inibir a produ-ção de ácidos (causadores das cáries) por bactérias da cavidade oral. Qual via e qual enzima é inibida pelo flúor?

2. As hemácias sintetizam e degradam 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) como um desvio da glicólise. Explique a importân-cia dessa substância no processo de li-beração do oxigênio pela hemoglobina para os tecidos.

O DESTINO DO PIRUVATO

O piruvato, gerado pelo catabolismo da glico-se, pode ser ainda mais degradado ou utiliza-do para sintetizar outros compostos. O desti-no do piruvato depende do tipo de célula, da necessidade de energia livre metabólica e das condições a que a célula está submetida (com ou sem oxigênio).

• Síntese de lactato (fermentação láctica ou glicólise anaeróbia)

Lactobascillus e células musculares produzem lactato em condições anaeróbias.

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17Durante a prática de uma atividade física intensa, a glicólise rapidamente fornece ATP para ali-mentar a contração, mas a via também consome NAD+ na etapa da gliceraldeído-3-fosfato desi-drogenase (fig. 2). Para regenerar o NAD+, a enzima lactato desidrogenase reduz o piruvato. Essa reação permite ao músculo trabalhar de modo anaeróbio, enquanto ele durar a contração.

O lactato produzido pelo músculo em contra-ção é lançado na corrente sangüínea e capta-do pelo fígado que o oxida de volta a piruvato e, a seguir, pode utilizá-lo para a gliconeogê-nese (ciclo glicose-lactato). A glicose produzi-da dessa maneira pode finalmente fazer seu caminho de volta para o músculo, para aju-dar a manter a contração muscular. Quando o músculo está funcionando de modo aeróbio, o NADH produzido pela reação da gliceralde-ído-3-fosfato desidrogenase é reoxidado pelo oxigênio (cadeia respiratória). Nos lactobillus, a reoxisação do NADH ocorre por ação da lac-tato desidrogenase.

• Síntese de etanol (fermentação alcoólica)

O etanol é sintetizado pelas leveduras em con-dições anaeróbias. Este processo transforma o piruvato e regenera o NAD+. Inicialmente, o piruvato perde a carboxila e se transforma em aldeído acético, por ação da piruvato descar-boxilase e, a seguir, a álcool desidrogenase o reduz a etanol. (Fig. 2)

Figura 3. Destino metabólico do piruvato. Em aerobiose, o piruvato é oxidado a CO2 e H2O. Em ambiente anaeróbico, o piruvato pode ser transformado em etanol ou lactato. A conversão do piruvato depende do tipo de célula e das condições fisiológicas das mesmas.

• Oxidação do piruvato

Embora a glicólise seja uma via oxidativa, seu produto final, o piruvato ainda é uma molécu-la relativamente reduzida. A oxidação comple-ta de seus carbonos a 3CO2 pode liberar uma grande quantidade de energia livre. Essa ener-gia é aproveitada na síntese de ATP, no sistema respiratório, em presença do oxigênio molecu-lar (capítulo 3 de Bioquímica II).

2. GliCoNeoGÊNeseA gliconeogênese transforma duas molécu-las de piruvato ou de outros precursores não glicídicos (lactato, glicerol e alanina) em uma molécula de glicose. Por essa razão, ela é cha-mada de “síntese nova de glicose”.

O objetivo da gliconeogênese é manter a glice-mia durante os intervalos entre as refeições, no jejum prolongado, no jejum noturno e quan-do há pouca ingesta de carboidratos. Ocorre, principalmente, no fígado.

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18A maioria das reações da gliconeogênese é catalisada por enzimas que catalisam reações reversí-veis na glicólise. Porém a gliconeogênese contém quatro enzimas que contornam as três etapas irreversíveis da glicólise – as etapas catalisadas pelas enzimas cinases (hexocinase, fosfofrutocinase e piruvato cinase).

Figura 4. Reações de contorno da gliconeogênese. As enzimas que catalisam as três etapas irreversíveis da glicólise estão em vermelho. As enzimas em azul são comuns à glicólise.

Na figura 3, são mostradas as reações de con-torno da gliconeogênese. Observe que, para contornar três reações irreversíveis na glicólise, são necessárias quatro reações na gliconeogê-nese. Além disso, são gastos 4 ATPs e 2 GTPs (ou 6 ATPs), o que reflete o “alto custo” para se produzir glicose no organismo. (Lembre-se de que são necessárias 2 moléculas de piruva-to para gerar 1 glicose).

Balanço energético da glicólise e da gliconeo-gênese

Se a glicólise correspondesse, em simultâneo, à gliconeogênese, haveria um balanço equi-valente ao consumo de 2 ATP. Observe que, na glicólise, há produção de 2 ATPs, enquanto que, na gliconeogênese, ocorre consumo de 6 ATPs:

Glicólise- Glicose + 2 ADP + 2 Pi 2 piruvato + 2 ATP

Gliconeogênese- 2 Piruvato+6ATP glicose+6ADP+6 Pi

Regulação da glicólise e da gliconeogênese

Para evitar este desperdício de energia meta-bólica, as células regulam essas vias opostas de

acordo com as necessidades energéticas das células. A principal substância reguladora é a frutose-6-fosfato.

A enzima fosfofrutocinase (da glicólise) é ati-vada, ao mesmo tempo em que a fosfatase (da gliconeogênese) é inibida pela frutose-2,6--difosfato.

glicólise PFK FBPase gliconeogênese

Frutose-6--fosfato

F2,6P

Frutose-1,6--bifosfato

Esse modo de regulação alostérica é eficien-te, porque um único composto pode con-trolar, ao mesmo tempo, o fluxo através de duas vias metabólicas opostas. Assim, quan-do a concentração de frutose-2,6-difosfato está alta, a glicólise é estimulada e a glicone-ogênese é inibida e vice-versa. Essa regula-ção ocorre, especialmente, no fígado, órgão responsável pelo tamponamento de glicose no sangue, ou seja, manter a concentração

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19sangüínea de glicose para que ela não dimi-nua muito nem se exceda.

PesQUise e resPoNda

1. A glicólise e a gliconeogênese são vias me-tabólicas que trabalham em sentido con-trário (uma forma o substrato da outra) e ocorrem no citosol de células. Elas se pro-cessam no mesmo momento? Justifique sua resposta.

3. a Via PeNtose FosFatoExaminaremos agora a via que produz ribose, um componente de nucleotídeos. (Ver capítu-lo 7 de Bioquímica II). A via pentose fosfato, como a glicólise, é uma via oxidativa, mas gera NADPH e não, NADH. A via pentose fosfato não é um aspecto secundário do metabolismo da glicose. Até 30% da glicose no fígado pode ser catabolizada pela via pentose fosfato. A via pentose fosfato pode ser dividida em duas fa-ses: a primeira é composta por uma série de reações de oxidação, e a segunda, por uma série de reações reversíveis de interconversão.

As reações de oxidação da via pentose fosfato

A glicose-6-fosfato deriva da glicose ou da degradação do glicogênio armazenado. Na primeira etapa da via, a glicose-6-fosfato de-sidrogenase oxida a glicose-6-fosfato e produz NADPH numa reação catalisada pela glicose-6--fosfato desidrogenase.

A seguir, ocorre hidrólise e descarboxilação para converter a ose de 6 em uma ose de 5 carbonos (uma pentose), reduzindo o segundo NADP+ a NADPH.

Os dois NADPHs produzidos por glicose nes-sa via são utilizados principalmente para a síntese de ácidos graxos e de nucleotídeos. A ribose-5-fosfato é a precursora da ribose dos nucleotídeos. Em muitas células, isso marca o fim da via pentose fosfato, que tem a equação resultante:

Glicose-6-fosfato + 2 NADP+ + H2O ribose-5-fosfato + 2 NAPH + CO2 + 2 H+

A atividade da via da pentose fosfato é alta em células que se dividem rapidamente, por-que necessitam sintetizar grandes quantida-des de DNA. A via pentose fosfato não produz apenas ribose-5-fosfato mas também NADPH, um potente agente redutor necessário para as vias metabólicas biossintéticas. Como a neces-sidade celular de NADPH é maior do que a de ribose fosfato, forma-se um excesso. Os car-bonos da pentose em excesso são reciclados a intermediários da glicólise (triose-fosfato e hexose-fosfato), dependendo do tipo de célu-la e de suas necessidades metabólicas. A con-versão de pentose-fosfato em triose-fosfato e hexose-fosfato é mediada por duas enzimas: a transcetolase e a transaldolase.

4. MetabolisMo do GliCoGÊNio

O glicogênio é um polímero de tamanho va-riável, que contém resíduos de glicose unidos por ligações glicosídicas a-1,4 e, nos locais de ramificação, glicosídicas a-1,6. Cada mo-lécula de glicogênio encontra-se ligada a uma proteína denominada glicogenina por uma ligação glicosídica a-1,4; a denominação de glicogenina tem origem no fato de esta proteína participar da síntese do glicogênio, funcionando como iniciador (primer). A for-mação do glicogênio permite o acúmulo de glicose nas células, sem aumentar a pressão osmótica dentro destas.

A deficiência da glicose-6-fosfato desidroge-nase diminui a produção intracelular de NA-DPH, interfere com a função normal de certos processos de oxirredução e torna as células mais frágeis ao dano oxidativo.

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204.1. GliCoGÊNese

A glicogênese é a via metabólica através da qual a molécula de glicogênio cresce por transferência de resíduos de glicose para os grupos 4-OH livres dos resíduos de glicose das extremidades. Esta transferência é catalisada pela sintase do glicogênio (glicogênio sintase), que forma um complexo com a glicogenina. A sintase do glicogênio é uma transferase, em que o doador de glicose é a UDP--glicose. A UDP-glicose forma-se a partir da glicose-1-P (pirofosforilase da UDP-glicose: glicose-1-P + UTP UDP-glicose + PPi), por sua vez formado por isomerização da glicose-6-P (fosfoglicomu-tase: glicose-6-P glicose-1-P). A ramificação do glicogênio é catalisada pela enzima ramificante, que catalisa a transferência de uma cadeia com cerca de 7 resíduos de glicose de uma extre-midade para um grupo 6-OH de uma cadeia vizinha.

4.2. GliCoGeNÓlise

A glicogenólise é a via de degradação do glicogênio. A fosforílase do glicogênio (ou glicogênio fosforila-se) catalisa a fosforólise do glicogênio; ou seja, cata-lisa a transferência de resíduos glicose das extremi-dades do glicogênio para o Pi, formando glicose-1-P (glicogênio(n) + Pi glicogênio(n-1) + glicose-1-P). Em seguida, a glicose-1-P sofre isomerização, pela fosfo-glicomutase, gerando glicose-6-P. A desramificação do glicogênio é catalisada por uma enzima (enzima desra-mificante) com duas atividades, que atuam seqüencial-mente: transferência intramolecular de blocos de 3 re-síduos de glicose para uma extremidade não-redutora, que expõe um resíduo de glicose ligado por ligação a-1,6 e hidrólise desta ligação a-1,6; pela ação glicosi-dade resulta a formação de glicose livre.

FIGURA 5. Glicogênese. (FONTE: Lehninger, Sarvier, 1995).FIGURA 4 . Glicogenólise. (FONTE: Lehninger, Sarvier, 1995).

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5. reGUlaÇão HorMoNal do MetabolisMo de GliCoseAs células ou os órgãos regulam as atividades de suas vias metabólicas de acordo com suas necessidades e com a disponibilidade de ali-mentos. Os alimentos energéticos estocados após as refeições são constantemente mobili-zados nos períodos de jejum.

A coordenação entre os órgãos é executada pela ação de hormônios, que são substâncias produzidas por um tecido, que afetam as fun-ções de outros tecidos por todo organismo. Os hormônios mais importantes envolvidos no metabolismo energético são insulina, glu-cagon e catecolaminas (epinefrina e norepi-nefrina, também chamadas de adrenalina e noradrenalina, respectivamente). A capacida-de de uma célula responder a esses sinais ex-tracelulares depende de um conjunto de pro-teínas que reconhecem o sinal hormonal, os chamados receptores, e transmitem o sinal ao interior da célula.

5.1 iNsUliNa

A insulina estimula as células a captarem gli-cose e suprime a degradação de glicogênio, quando é farta a glicose da alimentação. A insulina sinaliza fartura de alimentos energé-ticos: diminui o metabolismo dos alimentos armazenados, enquanto promove o armaze-namento. A falta de insulina ou uma incapa-cidade para responder a ela resulta na doença diabetes mellitus.

A insulina é sintetizada pelas células β das ilhotas pancreáticas. Quando a concentração sangüínea de glicose se eleva, após uma refei-ção rica em carboidratos, a insulina é liberada das células β, vai para a corrente sangüínea e se liga a seus receptores na superfície das célu-las do músculo e de outros tecidos.

Apenas as células que exibem receptores de in-sulina respondem ao hormônio, e as respostas variam com o tipo de célula. Quando a insuli-na se liga a seu receptor na superfície celular

também modula a atividade das enzimas que metabolizam glicogênio. O metabolismo do glicogênio se caracteriza por um equilíbrio en-tre a síntese e a degradação desse glicogênio.

5.2 GlUCaGoN

Algumas horas após uma refeição, a glicose da alimentação foi captada pelas células e con-sumida como alimento energético ou armaze-nada como glicogênio. Neste ponto, o fígado começa a mobilizar glicose, de modo a manter constante a concentração de glicose no san-gue (glicemia). Esta fase do metabolismo não é controlada pela insulina e, sim, por outros hormônios, principalmente o glucagon e as catecolaminas epinefrina e norepinefrina.

O glucagon é um hormônio peptídico sinteti-zado e liberado pelas células a das ilhotas pan-creáticas, quando a concentração de glicose cai a menos de 5mm. Ao contrário da insulina, o glucagon estimula o fígado a liberar glicose produzida pela glicogenólise e pela gliconeo-gênese. As células musculares não expressam receptor de glucagon e, assim, não respondem ao hormônio.

5.3 CateColaMiNas

As catecolaminas são derivadas da tirosina, que são sintetizadas pelo sistema nervoso central como neurotransmissores e pelas adrenais, como hormônios. As catecolaminas se ligam a proteínas de superfície celular, de-nominadas receptores adrenérgicos.

Embora suas vias de transmissão de sinais sejam um pouco diferentes, as catecolami-nas provocam os mesmos efeitos globais do glucagon. Por exemplo, a ação da epinefrina (adrenalina) sobre as células musculares ativa a glicogenólise, o que produz mais glicose dispo-nível, para impulsionar a contração muscular.

resUMoO catabolismo de glicose, a glicólise, é uma série de reações catalisadas por enzimas, nas quais a energia livre é aproveitada como ATP ou NADH. As dez reações da glicólise conver-tem glicose (substrato da glicólise) com seis

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22átomos de carbono, em suas moléculas de pi-ruvato e produzem duas moléculas de ATP e duas de NADH.

A primeira fase da glicólise necessita do inves-timento de 2 ATP. A reação irreversível catalisa-da pela fosfrutocinase é a etapa determinante da velocidade e o principal ponto de controle da glicólise. A segunda fase da glicólise gera 4 ATP por glicose.

O piruvato pode ser reversivelmente reduzido a lactato ou convertido a etanol e CO2, ou ser ainda mais oxidado pelo ciclo do ácido cítrico.

A gliconeogênese transforma duas moléculas de piruvato em uma de glicose, ao custo de 6 ATP. Esta via utiliza sete enzimas da glicólise e as atividades de quatro enzimas extras para contornar as três etapas irreversíveis da glicólise. A via catabólica pentose fosfato converte gli-cose em ribose-fosfato e origina NADPH. Os intermediários com cinco carbonos podem ser convertidos em intermediários da glicólise.

A glicogênese corresponde à síntese de glico-gênio, enquanto que a glicogenólise corres-ponde à degradação do glicogênio.

HiPerteXto1. diabetes

O diabetes é uma patologia caracterizada pela incapacidade do organismo metabolizar a gli-cose sangüínea. O diabetes se caracteriza pela tríade de sintomas:

• Polidipsia (sede excessiva)• Polifagia (fome em excesso) • Poliúria (micção freqüente)

Existem vários tipos de diabetes, sendo o dia-betes mellitus e o diabetes gestacional os mais frequentes.

O diabetes mellitus pode ser de dois tipos:

• Diabetes Tipo 1, que aparece como resul-tado de uma destruição das células-beta, produtoras de insulina por engano, pois o organismo acha que são corpos estranhos.

Isso é chamado de resposta auto-imune. Este tipo de reação também ocorre em outras doenças, como esclerose múltipla, lúpus e doenças da tireóide.

Não se sabe exatamente como se inicia, porém vários fatores parecem estar ligados ao diabetes tipo 1. Dentre eles, incluem-se a genética, os auto-anticorpos e vírus. Pode surgir na infância.

• Diabetes Tipo 2, que possui um fator he-reditário maior que no tipo 1. Além disso, há uma grande relação com a obesidade e o sedentarismo. Estima-se que 60% a 90% dos portadores da doença sejam obesos. A incidência é maior após os 40 anos.

Uma das peculiaridades do diabetes tipo 2 é que o pâncreas continua a produzir insulina. O problema está na incapacidade de absorção de glicose pelas células musculares e adipo-sas. Por muitas razões, as células do indivíduo diabético tipo 2 não conseguem metabolizar a glicose da corrente. Estima-se que 90% dos indivíduos diabéticos sejam do tipo 2. O tra-tamento é feito com dieta, exercício físico e medicamentos hipoglicemiantes orais. A evo-lução do tratamento pode requerer aplicação de insulina.

• Diabetes gestacional. O diabetes gestacio-nal é a alteração das taxas de açúcar no sangue que aparece ou é detectada pela primeira vez, na gravidez. Pode persistir ou desaparecer depois do parto.

reFerÊNCiasPratt, Charlotte W; Cornely, Kathleen. Bioquí-mica essencial, Rio de Janeiro: Guanabara Koo-gan, 2006.

Lehninger, A.L., Nelson, D.L. e Cox, M.M. Prin-cípios de bioquímica, São Paulo: Sarvier, 1995.

Campbell, Mary K. Bioquímica, Porto Alegre: 3.ed, Artmed, 2000.

http://www.ufrgs.br

www.diabetes.org.br

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o CiClo do ÁCido CÍtriCoCadeia traNsPortadora de elÉtroNs FosForilaÇão oXidatiVa

obJetiVos esPeCÍFiCos

1. Reconhecer a participação de cofatores, como a coenzima A, tiamina pirifosfato, li-poamida, FAD e NAD+ na oxidação do piru-vato a acetil-CoA.

2. Reconhecer que o ciclo do ácido cítrico atua

como uma via catabólica, oxidando acetilas derivadas do metabolismo de carboidratos, lipídeos e proteínas.

3. Destacar que os intermediários do ciclo do

ácido cítrico servem como precursores e produtos para outras vias metabólicas.

4. Reconhecer que os complexos I, III e IV

transferem elétrons através de reações re-versíveis.

5. Explicar como os elétrons doados pelos co-

fatores NADH e FADH2 aos complexos respi-ratórios são, ao final, transferidos para o O2.

6. Reconhecer a teoria quimiosmótica, que

descreve como a respiração gera gradien-te transmembranar de prótons, que forne-ce energia livre para impulsionar síntese de ATP.

7. Explicar a diferença entre desacopladores e inibidores.

Profa. Maria Cristina Halla Carga Horária I 10 H

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24Palavras-chaves: ciclo do glioxilato/ piruvato desidrogenase/ complexos respiratórios/ ATP sintase/ fosforilação oxidativa/ desacopladores/ inibidores respiratórios.

iNtrodUÇão

Os combustíveis metabólicos, derivados dos carboidratos, os ácidos graxos, derivados de lipídeos e os aminoácidos, derivados de pro-teínas, convergem para o ciclo do ácido cítrico para serem oxidados, no final, a CO2 e H2O.

A glicose é degradada a piruvato na glicólise.No catabolismo aeróbio, o piruvato é conver-tido a acetil-CoA, que entra no ciclo do ácido cítrico. Cada volta do ciclo libera duas molécu-las de CO2, regenerando a molécula de oxaloa-cetato inicial e liberando coenzimas reduzidas para a cadeia transporta-dora de elétrons.

Além de fornecer energia para a célula, o ciclo do ácido cítrico provê inter-mediários para a biossín-tese de proteínas, lipídeos e de grupos heme. O ciclo do ácido cítrico, como o centro das rotas metabó-licas, interconecta a de-gradação e a síntese de carboidratos, lipídeos e proteínas.

Em células eucarióticas, sob condições aeróbias, coenzimas reduzidas são reoxidadas, provocando um fluxo de elétrons e prótons através da mem-brana interna da mitocôn-dria até o aceptor final, o oxigênio molecular. Os elétrons e prótons reagem com o O2, reduzindo-o a 2H2O. (Fig. 1)

Esse processo é semelhan-te à produção de ATP pela fotossíntese das membra-nas tilacóides do cloro-plasto das plantas verdes.

1. o CoMPleXo PirUVato desidroGeNase Em organismos aeróbios, o produto final da glicólise (piruvato), com três carbonos, será oxidado a 3CO2. Inicialmente, o piruvato é oxidado e descar-boxilado por ação do complexo piruvato de-sidrogenase presente na matriz mitocondrial. O complexo da piruvato desidrogenase é com-posto por três enzimas - E1, E2 e E3 - e cinco cofatores que conjuntamente catalisam a des-carboxilação oxidativa do piruvato e transfe-rem o radical acetil para a coenzima A:

Piruvato + CoA + NAD + acetil- CoA + CO2 + NADH

Figura 1. O ciclo do ácido cítrico no contexto metabólico. O ciclo do ácido cítrico é uma via metabólica central, cujo material é constituído das acetilas, grupos com dois átomos de carbono, derivadas de aminoácidos, oses e ácidos graxos. Elas são oxidadas para o produto de eliminação, o CO2, com a redução dos cofatores NAD+ e FAD. (FONTE: Pratt & Cornely, Guanabara Koogan,2006)

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25Embora não apareçam na reação, além do NAD+ e da coenzima A, outros três cofatores participam dessa reação. São eles: a tiamina pirifosfato – TPP, a lipoamida e o FAD.

2. as reaÇÕes do CiClo do ÁCido CÍtriCoO acetil-CoA penetra no ciclo do ácido cítrico para ser oxidado. Este processo é exergônico, e a energia livre é aproveitada em várias etapas, na forma de GTP e de cofatores reduzidos. Para cada radical acetil, que penetra no ciclo do áci-do cítrico, são produzidas duas moléculas de CO2 totalmente oxidadas, representando uma

perda de quatro pares de elétrons. Estes elé-trons são transferidos para 3NAD+ e um FAD, produzindo 3NADH e 1FADH2. A equação ge-ral para o ciclo do ácido cítrico é:

Acetil-CoA + GDP + Pi + 3NAD+ + FAD 2CO2 + CoA + GTP + 3NADH + FADH2

VoCÊ sabia Que o acetil-CoA é uma molécula central do metabo-lismo de mamíferos?1º porque é para ela que converge o metabolismo oxidativo das três classes principais de nutrientes ( carboidratos, ácidos graxos e aminoácidos). Todos es-ses compostos passam pela acetil-CoA em suas rotas de degradação até água e CO2.2º a partir do acetil-CoA são produzidos alguns li-pídeos em nosso organismo. Entre eles, os triglice-rídeos e os esteróides. Plantas e bactérias produzem glicose a partir de acetil-CoA, mas os mamíferos, não.

Figura 2. Reações do ciclo do ácido cítrico. O radical acetil, grupo com dois átomos de carbono, derivado de oses, aminoácidos e ácidos graxos, entra no ciclo para ser oxidado: (a) o acetil é oxidado até CO2, com a redu-ção dos cofatores NAD+ e FAD; (b) as enzimas que catalisam cada uma das reações do ciclo.FONTE: student.ccbcmd.edu/.../cellr esp/

(B)

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26O ciclo do ácido cítrico é um ciclo catalítico gerador de energia, catabólico e anabólico

O ciclo do ácido cítrico atua de modo catalítico para eliminação dos átomos de carbono derivados de carboidratos, lipídeos e aminoácidos. Embora o ciclo do ácido cítrico gere uma molécula de GTP (ou ATP), consideravelmente mais ATP é gerado, quando os cofatores reduzidos são reoxida-dos pelo O2. Cada NADH origina aproximadamente 3 ATP e cada FADH2 origina aproximadamente 2 ATP. Cada radical acetil do acetil-CoA, que penetra no ciclo do ácido cítrico, pode, portanto, gerar um total de 12 equivalentes de ATP.

Os intermediários do ciclo do ácido cítrico podem ser drenados para formarem outros compostos (Fig. 3). Por exemplo, a succinil--CoA é utilizada para a síntese do heme (o grupo prostético das hemeproteínas, como a hemoglobina). O a-cetoglutarato pode sofrer transaminação e se transformar no aminoácido glutamato. O oxaloacetato ser-ve como precursor da glicose, através da gli-coneogênese.

O ciclo do glioxilato

Vegetais e algumas bactérias contêm enzi-mas adicionais às do ciclo do ácido cítrico e conseguem converter acetil-CoA a oxaloa-cetato, um precursor da gliconeogênese. Os animais não possuem enzimas para isso, portanto não podem processar a síntese de carboidratos a partir de precursores com 2 carbonos, como o radical acetil da acetil-CoA. Em vegetais, o ciclo do glioxilato (Fig. 4) inclui as reações, que ocorrem nas mitocôndrias e nos glioxissomos, organe-las que contêm enzimas que execu-tam alguns processos metabólicos essenciais.

Essencialmente, o ciclo do glioxilato contorna as duas etapas geradoras de CO2 do ciclo do ácido cítrico e in-corpora um segundo acetil (na eta-pa da malato sintase). O resultado final do ciclo do glioxilato é a pro-dução de um composto de quatro carbonos, que pode ser usado para a síntese de glicose. Esta via é mui-to ativa nas sementes em germina-ção, onde os óleos armazenados (triacilgliceróis) são degradados a acetil-CoA. Assim, o ciclo do glioxi-lato fornece uma via para sintetizar glicose, a partir de ácidos graxos. Como os animais não possuem iso-citrato liase e malato sintase, eles não podem sintetizar carboidratos a partir de lipídeos.

Figura 3. Os intermediários do ciclo do ácido cítrico como precursores de biossíntese.FONTE: Pratt, 2004.

Piruvato

Malato

Fumarato

Succinato Succinil-CoA

hemo

Glicose

Citrato

Isocitrato

Oxaloacetato

aminoácidos, nucleotídeos

ácidos graxos, colesterol

α-cetoglutarato

Figura 4. O ciclo do glioxilato. O ciclo do glioxilato é uma via metabólica processada por vegetais e algumas bactérias. No ciclo do glioxilato, o isocitrato é clivado a glioxilato (com 2 carbonos), que se condensa com mais um radical acetil para formar malato e, finalmente, glicose (pela gliconeogênese). FONTE: Pratt & Cornely, Guanabara Koogan,2006

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PesQUise e resPoNda

1. Animais que ingeriram as folhas da planta venenosa da África do Sul Dichapetalum cymosum apresentam um aumento de 10 vezes nos níveis celulares de citrato. A planta contém fluoroacetato, que é trans-formado em fluoroacetil-CoA. Descreva o mecanismo que conduz aos níveis aumen-tados de citrato em animais que ingeriram essa planta venenosa. (Nota: O fluoroace-til-CoA não é inibidor da citrato sintase).

3. a Cadeia traNsPortadora de elÉtroNs (Cadeia resPiratÓria) A oxidação das fontes de energia metabólica, como glicose, ácidos graxos e aminoácidos, e a oxidação do radical acetil até CO2, através do ciclo do ácido cítrico, originam cofatores re-duzidos, NADH e FADH2. Estes compostos re-duzidos são formas de moeda energética, pois sua reoxidação (entrega de elétrons a proteí-nas mitocondriais), em organismos aeróbios, é exergônica. O movimento de elétrons, atra-vés da cadeia transportadora de elétrons, gera energia, que é utili-zada pela célula para sintetizar ATP, um fe-nômeno chamado de fosforilação oxidativa. A cadeia transporta-dora de elétrons e a fosforilação oxidativa representam a fase final da oxidação de alimentos e a princi-pal fonte de ATP das células. (Fig. 5)

VoCÊ sabia

• Que a respiração ce-lular produz água a partir de hidrogênios removidos de nutrien-tes e oxigênio molecu-lar? E, portanto, per-demos água durante a respiração?

Nos organismos aeróbios, o NADH e o FADH2, produzidos pela glicólise e pelo ciclo do ácido cítrico, são reoxidados pelo oxigênio molecu-lar, num processo chamado de cadeia trans-portadora de elétrons. Ao mesmo tempo em que o NADH e o FADH2 são reoxidados a NAD+ e FAD, respectivamente, o O2 (oxigênio mo-lecular) é reduzido a H2O (lembre-se que em uma reação de oxirredução, é preciso ter o par agente oxidante/agente redutor para que ela ocorra). Esse processo ocorre na membrana mitocondrial interna. http://www.youtube.com/watch?v=5GXBsMP4HZk

4. o aCoPlaMeNto da FosForilaÇão oXidatiVa Parte da energia liberada pelas reações de oxi-dação na cadeia transportadora de elétrons é usada para fosforilar da ADP à ATP. As reações catalisadas por três complexos respiratórios I, III e IV fornecem uma quantidade de energia mais do que suficiente para conduzir a síntese de ATP.

VoCÊ sabia

• A fosforilação oxidativa é o processo mais rentável de produção de ATP nos animais, pois a nossa ne-

Figura 5. O sistema de transporte de elétrons. O sistema de transporte de elétrons envolve a cadeia respiratória e a fosforilação oxidativa. A cadeia respiratória é composta por quatro complexos, em que três deles bombeiam prótons para o espaço intermembranas (Complexos I, II e IV). O gradiente eletroquímico (pH e carga elétrica), criado nos dois lados da membrana interna da mitocôndria, impulsiona o retorno dos prótons à matriz, através da ATP-sintase. FONTE: Pratt & Cornely, Guanabara Koogan,2006.

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28cessidade diária de ATP (energia) é muito maior do que a nossa capacidade de estocá-lo. Esta é a razão pela qual somos tão dependentes da respiração.

Parte da energia recorrente do metabolismo é convertida pelas células em energia química do ATP, de acordo com a necessidade celular.

A hipótese quimiosmótica postula que há um bombeamento de prótons através dos comple-xos I, III e IV para o espaço intermembranar e, dessa forma, gera um gradiente (a palavra gradiente significa diferença). Este gradiente de prótons resulta em uma diferença de pH e diferença de voltagem nos dois lados da membrana mitocondrial interna, gerada pela diferença de íons dentro e fora dela (matriz e espaço intermembranar). A energia do poten-cial eletroquímico (concentração de prótons e de carga elétrica), através da membrana, é convertida em energia química no ATP, pelo processo de fosforilação oxidativa. O trans-

porte de elétrons e a fosforilação oxidativa são processos acoplados pela ATP-sintase. (Fig. 5)h t t p : / / w w w . y o u t u b . c o m /watch?v=02uMu3DFplY

VoCÊ sabia

• Que a fosforilação oxidativa é a forma mais rentá-vel de produzir energia para a célula? E que nossas necessidades energéticas são constantes, razão pela qual dependemos tanto do processo respiratório para produzir ATP?

5. desaCoPladores da resPiraÇão

São agentes que impedem o acoplamento en-tre o transporte de elétrons e a ATP sintase. São exemplos de desacopladores o 2,4 – dini-trofenol (DNP) e a oligomicina. (fig. 6)

Figura 6. Descacopladores e inibidores do sistema respiratório. FONTE: Pratt & Cornely, Guanabara Koogan,2006.

Os desacopladores carregam prótons através da membrana interna do espaço intermembra-nar (onde a concentração de prótons é grande) para o lado da matriz, destruindo o gradiente de prótons que acopla o transporte de elétrons e a ATP sintase. Na presença de agentes desa-copladores, o transporte de elétrons continua. Contudo, eles retornam para dentro tão rapi-damente, via desacopladores, que a síntese de ATP não ocorre. Consequentemente, a energia liberada no transporte de elétrons é dissipada como calor.

Ironicamente, certos animais adaptados ao frio, aqueles que hibernam e os recém-nasci-dos, geram grande quantidade de calor pelo desacoplamento da fosforilação oxidativa. Nesses organismos, o tecido adiposo contém tanta mitocôndria que é chamado tecido adi-poso marrom. A membrana interna da mito-côndria do tecido adiposo marrom contém uma proteína endógena chamada termoge-nina, ou proteína desacopladora, que cria um canal passivo de prótons, pelo qual os prótons fluem do citosol para a matriz.

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6. iNibidores da resPiraÇãoQuando o fluxo de elétrons é bloqueado por um inibidor, ocorre um acúmulo de compo-nentes reduzidos antes do ponto de bloqueio na rota, provocando um acúmulo de compo-nentes reduzidos (fig. 6).

Os inibidores são substâncias que imppedem o fluxo de elétrons através dos complexos res-piratórios. São eles: três complexos na cadeia transportadora de elétrons, onde os inibidores apresentam efeitos:

• Complexo I: amital e rotenona Amital é um barbiturato, e a rotenona é

obtida das raízes de diversas espécies de plantas. É altamente tóxico para peixes, mas não, para seres humanos.

• Complexo II: malonato. • Complexo III: antimicina A. • Complexo IV: cianeto, azida e monóxido

de carbono.

A principal toxicidade do monóxido de carbo-no reside na sua afinidade pelo ferro da hemo-globina.

PesQUise e resPoNda

1. O tratamento do envenenamento por cia-neto deve ser rápido e eficaz. Como tra-tamento pode-se administrar nitritos que têm a capacidade de oxidar o Fe2+ da he-moglobina a Fe3+. Por que esse tratamento é eficaz?

7. o reNdiMeNto de atP Na oXidaÇão CoMPleta da GliCose O rendimento de energia de uma molécula de glicose para gerar dois radicais acetil até CO2

pode ser calculado. (ver quadro 1)

Um músculo, operando em anaerobiose, pro-duz somente 2 ATP por glicose (glicólise anae-róbia), mas em condições aeróbias, quando o ciclo do ácido cítrico está operando plenamen-te, cada mol de glicose gera 38 ATPs.

Quadro 1 Produção de ATP a partir da oxidação com-pleta de glicose a CO2 e H2O

Processo Produto direto ATP final

Glicólise 2 NADH2 ATP

4 ou 6*2

Oxidação do piruvato(2 / glicose)

2 NADH(matriz mitocondrial)

6

Oxidação do acetil-CoA pelo ciclo do ácido cítrico (2 / glicose)

6 NADH2 FADH22 ATP PU 2 GTP

1842

Produção total por glicose

36 ou 38

* O número depende do sistema de transporte de equivalentes redutores até a mitocôndria.

resUMoO acetil-CoA originado do piruvato é oxida-do pelo ciclo do ácido cítrico, o qual produz CO2, coenzimas reduzidas e GTP. Este último é convertido em ATP. As coenzimas reduzidas são reoxidadas pela cadeia transportadora de elétrons para continuarem a atuar no metabo-lismo oxidativo.

Os elétrons do NADH e do FADH2 são entre-gues ao oxigênio (aceptor final de elétrons) em uma série de reações de oxidação, conhe-cida como cadeia transportadora de elétrons. Essa série de reações gera um gradiente de pH através da membrana mitocondrial interna. A energia do gradiente de pH leva ao processo de fosforilação oxidativa. Os dois processos estão interligados pelo mecanismo de acoplamento quimiosmótico, pela proteína ATP sintase.

3 moléculas de ATP são geradas para cada mo-lécula de NADH, que entra na cadeia transpor-tadora de elétrons, e 2 moléculas de ATP, para cada molécula de FADH2. A visão geral do pro-cesso é a de que o NADH transfere elétrons para a coenzima Q, ao passo que o FADH2 en-trega seus elétrons ao Complexo II. Os elétrons são transferidos da coenzima Q para os cito-cromos e, finalmente, para o oxigênio.

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30zida pelo frio e a termogênese induzida pela

dieta. A termogênese induzida pelo frio permite que animais sobrevivam em bai-xas temperaturas, até que se adaptem às condições, e a termogênese induzida pela dieta previne o desenvolvimento da obesidade, apesar da superalimentação prolongada.

Esses dois processos parecem ser o mesmo bioquimicamente, ocorrendo, de modo principal, no tecido adiposo marrom, que é rico em mitocôndrias. A gordura marrom tem essa cor devido ao alto teor de mitocôndrias presentes nela. A chave para o uso “ineficiente”

da energia pelo tecido adiposo marrom pa-rece ser uma proteína chamada de termoge-nina, também conhecida como “proteína de-sacopladora”. Na termogênese, essa proteína ligada à membrana mitocondrial interna está muito ativa e atua como um canal de prótons, diminuindo o efeito do gradiente de prótons.

No homem e em outros mamíferos, o papel desempenhado pelo depósito de gordura mar-rom no desenvolvimento ou na prevenção da obesidade tem sido pouco investigado. Atual-mente, tem-se dirigido mais atenção às inves-tigações que buscam identificar os genes que codificam a proteína desacopladora envolvida na obesidade. O objetivo a ser alcançado nes-sas pesquisas é o uso dessa proteína ou drogas que a controlem no combate à obesidade.

reFerÊNCiasKamoun, Pierre; Lavoine, Alain e Verneuil, Hu-bert. Bioquímica e biologia molecular, Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2006.

Pratt, Charlotte W; Cornely, Kathleen. Bioquí-mica essencial, Rio de Janeiro: Guanabara Koo-gan, 2006.

Lehninger, A.L., Nelson, D.L. e Cox, M.M. Prin-cípios de bioquímica, São Paulo: Sarvier, 1995.

Campbell, Mary K. Bioquímica, Porto Alegre: 3. ed, Artmed, 2000.

http://www.unicamp.br/fea/lsfm/cursos/ta918 8.html

HiPerteXtos1. ÁCido CÍtriCo

Muitos solven-tes industriais e outras substân-cias químicas são sintetizadas por microorga-nismos. Etanol, acetona, buta-nol, ácido acéti-co e ácido cítrico são todos produtos do metabolismo de bacté-rias ou de fungos. A produção do ácido cítrico por alguns fungos foi descoberta por volta de 1893, por Wehmer. O cultivo industrial desses organismos é feito em enormes tanques de fermentação, sob condições cuidadosamente controladas. O Aspergillus Niger, um mofo, é a fonte de ácido cítrico. Em condições ideais de crescimento, esses fungos sintetizam e ex-cretam enormes quantidades de ácido cítrico, direcionando cerca de 70% de sua captação de carbono para este composto. A produção é destinada às indústrias farmacêuticas e de alimentos. O ácido cítrico – estável, solúvel em água, apetitoso e não tóxico – aumenta a adstringência de refrigerantes, proporciona acidez aos alimentos processados, tornando mínima a degradação e tampona compos-tos farmacêuticos contra a variação de pH. Na indústria farmacêutica, o ácido cítrico é usado como estabilizante de ácido ascórbi-co. Nos antiácidos e analgésicos efervescen-tes, o ácido cítrico é usado juntamente com carbonatos e bicarbonatos para gerar CO2. Na forma de sais, são usados na medicina para evitar a coagulação do sangue e na in-dústria alimentícia como emulsificante para fabricação de certos produtos, como o quei-jo e como estabilizante de óleos e gorduras.

2. a terMoGÊNese e a terMoGeNiNa Quando o transporte de elétrons gera um gra-diente de prótons, parte da energia ganha for-ma de calor. Existem duas situações em que a dissipação de energia, na forma de calor, é útil para o organismo: a termogênese indu-

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FotossÍNtese

obJetiVos esPeCÍFiCos

• Compreender a função da luz na fotos-síntese;

• Explicitar os principais pigmentos envol-vidos na fotossíntese;

• Citar os principais produtos das reações de transdução de energia ou reações do claro da fotossíntese;

• Citar os principais produtos das reações de fixação de carbono;

• Compreender os principais eventos asso-ciados a cada um dos dois fotossistemas nas reações do claro;

• Evidenciar a diferença entre os pigmen-tos-antena e os pigmentos dos centros de reação;

• Citar as principais diferenças entre as vias C3, C4 e CAM na fixação de carbono e descrever os aspectos em comuns.

Palavras-chaves: fotossíntese, fotossistema, clorofila.

Profa. Maria Cristina Halla Carga Horária I 8 H

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32iNtrodUÇão

Na presença de luz, as plantas e as cianobac-térias consomem CO2 e H2O, produzem O2 e fixam carbono na forma de carboidrato. A fotossíntese é o processo pelo qual a energia luminosa é transformada em energia química, sob a forma de ATP, NADPH e carboidratos. Desta forma, a fotossíntese contribui simulta-neamente para gerar uma atmosfera aeróbia e uma fonte de energia prontamente utilizável, dois fatores fundamentais para a manutenção da vida no planeta.

Grandes quantidades de energia são armaze-nadas como produtos de fotossíntese. A cada ano, mais de 250 bilhões de toneladas de açú-car são produzidas no mundo pelos organis-mos fotossintetizantes.

Os dois estágios da fotossíntese são referidos como as reações de luz e as reações do escu-ro. Nas reações de luz, moléculas de pigmento especializadas capturam a energia luminosa e são, assim, oxidadas. Uma série de reações de transferência de elétrons, que culmina com a redução de NADP+ a NADPH, gera um gra-diente de prótons através da membrana, cuja energia é usada para síntese de ATP e Pi. As moléculas de pigmento oxidadas são reduzi-das pela H2O, gerando O2.

VoCÊ sabia

• Que o médico Belga van Helmont cultivou um sal-gueiro em um vaso onde apenas se adicionava água e, no final de 5 anos, o salgueiro apresentava ganho de peso de 74,4 kg, enquanto o peso do solo havia diminuído apenas 57 g?

• Que o cientista inglês Joseph Priestley colocou um

ramo de hortelã (vivo) no ar em que uma vela de cera havia sido queimada e descobriu que outra vela poderia ser acesa no mesmo ar?

PesQUise e resPoNda

1. Corais que habitam águas claras ras têm de se proteger da luz ultravioleta que lesa o DNA. Os tecidos dos corais são na maio-ria das vezes transparentes, permitindo que a luz solar alcance as algas fotossin-téticas que vivem em simbiose com eles. O que os corais utilizam como filtro solar?

1. a FotossÍNtese oCorre eM orGaNelas esPeCiaisNas células eucarióticas fotossintetizadoras, tanto as reações de fixação do carbono quan-to às luminosas, realizam-se em organelas especiais, denominadas, cloroplastos (Figu-ra 1). Os cloroplastos podem assumir formas muito diversas em diferentes espécies e ge-ralmente possuem um volume muito maior que as mitocôndrias. Eles são envolvidos por uma membrana externa contínua que, como a membrana mitocondrial externa, é permeá-vel a moléculas pequenas e íons. Um sistema de membrana interna envolve o compartimen-to interno, onde há muitas vesículas ou sacos achatados, chamados de tilacóides, que geral-mente são arranjados em pilhas chamadas de grana. As membranas dos tilacóides são sepa-radas da membrana cloroplástica interna. In-crustados nas membranas tilacóides, estão os pigmentos fotossintetizadores, associados a proteínas integradas, e as enzimas necessárias para utilização da luz e a síntese de ATP e NA-DPH. O fluido no compartimento que circun-da as vesículas tilacóides, o estroma, contém as enzimas que catalisam a redução de CO2 a carboidrato. Quando a energia solar não for disponível, as mitocôndrias na célula da planta produzem ATP pela oxidação de carboidratos, originalmente sintetizados nos cloroplastos.

Figura 1. Jornada dentro da folha Dente-de-Leão (Taraxacum officinale). FONTE: Raven, Guanabara Koogan, 2004.

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2. a lUZ ProdUZ o FlUXo de elÉtroNs Nos CloroPlastosEm 1937, Robert Hill, descobriu que, quan-do extratos de folhas, contendo cloroplastos, fossem suplementados com receptores de hi-drogênio não-biológicos, e depois iluminados, realizavam-se a produção de O2 e simultanea-mente a redução do receptor de hidrogênio, de acordo com uma reação agora conhecida como reação de Hill:

2 H2O + 2 A luz 2 AH2 + O2

2H2O + 2NADP+ luz 2NADPH + 2H+ + O2

Esta equação mostra uma diferença importan-te entre a fosforilação oxidativa mitocondrial e o processo análogo nos cloroplastos: nos cloroplastos, os elétrons fluem da H2O para o NADP+, enquanto, na respiração mitocondrial, os elétrons fluem na direção oposta, do NADH ou NADPH para o O2, com a liberação de ener-gia livre.

VoCÊ sabia

• Que um dos receptores de hidrogênio não-biológico usado por Hill foi o corante 2,6-diclorofenolindofe-nol, agora chamado reagente de Hill, que na sua forma oxidada (A) é azul e na sua forma reduzida (AH2), incolor?

2.1. PiGMeNtos

Os pigmentos fotossintéticos, ao absorverem a energia luminosa, são excitados. As clorofilas são as moléculas fotorreceptoras mais importantes. São pigmentos verdes com estruturas planares policíclicas, assemelhando-se à protoporfirina da hemoglobina, exceto que o Mg2+, e não o Fe2+, ocupa a posição central. (Figura 2)

VoCÊ sabia

• Se colocarmos plantas num quarto iluminado so-mente com a cor verde, elas definham e morrem? Isso acontece exatamente por elas serem verdes. A energia que a planta absorve, e com a qual realiza o processo de fotossíntese, é exatamente a que cor-responde a todas as outras cores, menos a verde. A luz verde é refletida pela clorofila do vegetal e, portanto, não participa da fotossíntese.

Onde A é o receptor de hidrogênio artificial. Quando o extrato de folha suplementado com o corante era iluminado, o corante azul torna-va-se incolor, e o O2 era produzido. No escuro, nem o O2 nem a redução do corante ocorriam. Esta foi a primeira pista específica de como a energia luminosa absorvida era convertida em energia química: ela induzia os elétrons a fluir da água para um receptor de elétrons. Além disto, Hill descobriu que o CO2 não era reque-rido para esta reação nem era reduzido a uma forma estável nestas condições. Ele conclui que a produção do O2 podia ser dissociada da re-dução do CO2. Anos depois, descobriu-se que o NADP+ é o receptor biológico de elétrons nos cloroplastos, de acordo com a equação:

Figura 2. Estruturas dos fotopigmentos primários clorofilas a e b e a bacterioclorofila e dos pigmentos acessórios β-caroteno, ficoeritrina e ficocianina. As áreas sombreadas em rosa representam sistemas conjugados (ligações simples e duplas alternadas), que são os grandes responsáveis pela absorção da luz visível. FONTE: Lehninger, 1995.

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34Os cloroplastos das plantas superiores sempre contêm dois tipos de clorofila. Uma é invaria-velmente a clorofila a, e a segunda, em muitas espécies, é a clorofila b, que possui um grupo aldeído ao invés de um grupo metil ligado ao anel II (Figura 2). A maioria das plantas contém duas vezes mais clorofila a que clorofila b. As clorofilas bacterianas diferem, apenas, ligeira-mente dos pigmentos das plantas. (Figura 2)

Além das clorofilas, as membranas tilacóides contêm pigmentos acessórios, que absorvem luz; no seu conjunto, são chamados de pig-mentos acessórios, os carotenóides e as fico-bilinas. Os carotenóides podem ser amarelos, vermelhos ou púrpuras. Os mais importantes são os β-caroteno (Figura 2), um composto isoprenóide vermelho-alaranjado, que é o pre-cursor da vitamina A nos animais, e o carote-nóide xantofila. O pigmento carotenóide ab-sorve luz em comprimentos de onda diferentes daqueles absorvidos pelas clorofilas (Figura 3) e, por isso, são receptores suplementares de luz. As ficobilinas são tetrapirrólicos lineares que possuem o sistema polieno estendido, en-contrado nas clorofilas, mas não a sua estrutu-ra cíclica ou o Mg2+ central. Os exemplos são a ficoeritrina e a ficocianina. (Figura 2)

azul-esverdeado forte das agulhas dos abetos ao verde das folhas do bordo, a cores verme-lho, marrom ou mesmo púrpura das diferentes espécies de algas multicelulares e das folhas de algumas plantas decorativas.

A maioria dos pigmentos absorve[w5] somen-te um determinado comprimento de onda e transmite ou reflete os comprimentos de onda que não são absorvidos. A propriedade de ab-sorver luz depende do arranjo dos elétrons de uma molécula. Moléculas contendo ligações conjugadas (ligações simples e duplas alterna-das), como as clorofilas, os carotenóides e as ficobilinas são capazes de absorver luz visível. Ao absorver um fóton, a molécula passa a um estado excitado, que é instável. A volta ao seu estado fundamental é rápida, de 10-11 a 10-8 se-gundo. Neste retorno ao estado fundamental ou estado basal, a energia absorvida pode ser dissipada de quatro formas diferentes: (1) sen-do convertida em energia cinética, ou seja, ca-lor; (2) por emissão de luz, a fluorescência; (3) a energia de excitação passa de uma molécula para outra; (4) o próprio elétron da molécula excitada passa para uma molécula vizinha, ou seja, ocorre a fotoxidação. Os dois últimos pro-cessos são fundamentais para a fotossíntese.

VoCÊ sabia

• Que a clorofila é o pigmento que torna as folhas verdes, absorve luz principalmente nos comprimen-tos de onda azul, violeta e vermelho e reflete a luz verde, portanto sua aparência é de cor verde?

PesQUise e resPoNda

1. Marés vermelhas são causadas por exu-berância de algas que fazem a água do mar tornar-se vermelha. No processo de fotossíntese, as algas vermelhas tiram van-tagens de comprimentos de onda não ab-sorvidos por outros organismos. Descreva os pigmentos fotossintéticos das algas.

2.2. FotossisteMas

Os pigmentos que absorvem fazem parte de complexos protéicos embebidos na membra-na tilacóide, chamados fotossistemas. Cada fotossistema pode conter centenas de molé-

Figura 3. Absorção da luz visível pelos fotopigmentos mostrados na figura 2. Absorção versus comprimento de onda. FONTE: Lehninger, 1995.

A variação nas proporções desses pigmentos é responsável pela diversidade das cores dos organismos fotossintetizadores, que variam de

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35culas de clorofila, carotenóides e ficobilinas, todas capazes de absorver a energia luminosa, sendo chamadas de moléculas-antena. Todas as moléculas de pigmentos num fotossistema podem absorver fótons, mas poucas podem transduzir a energia luminosa em energia quí-mica. A energia luminosa, coletada pelos pig-mentos-antena, é transmitida, de molécula em molécula, até atingir o centro de reação (Fi-gura 4). O centro de reação é constituído por duas moléculas de clorofila a, chamada de par especial, ligadas a subunidades do fotossiste-ma. Quando qualquer uma das moléculas de clorofila a do centro da reação absorve ener-gia, um de seus elétrons é empurrado a um nível de energia mais alto e é transferido para uma molécula receptora de elétrons para ini-ciar o fluxo de elétrons. A molécula de clorofila é, então, oxidada (fotooxidação) e carregada positivamente.

as moléculas-antena e os transportadores de elétrons. O centro de reação do fotossistema é designado, segundo o comprimento de onda de absorção máxima do par de moléculas de clorofila que o constitui. O do fotossistema I é designado P700, onde P é pigmento e 700 é comprimento de onda, onde sua absorbância é máxima. O fotossistema II é denominado P680 por ab-sorver mais em comprimento de onda igual a 680 nm. VoCÊ sabia

• Que todas as células fotossintetizantes produtoras de O2 contêm ambos os fotossistemas, enquanto que as espécies de bactérias fotossintetizantes, que não produzem O2, contêm apenas o fotossistema I?

3. FotossÍNtese: Fase Clara

A fotossíntese se divide em duas fases: a fase clara, na qual a luz solar é utilizada para síntese de ATP e NADPH na mem-brana tilacóide, e a fase escura, em que ATP e NADPH produzidos na fase clara são utilizados para fixação de CO2 no es-troma do cloroplasto. No entanto, essa denominação é inadequada, porque mecanismos reguladores determinam que a fase escura também seja depen-dente de luz.

Na fase clara, ocorre a absorção de fótons por moléculas-antena e transferência da excitação para moléculas adjacentes, até atingir o centro da reação. O centro da reação excitado emite elétrons, que são transportados até o NADP+. Os elétrons são repostos por H2O, que se oxida, libe-rando O2.

O transporte de elétrons da água ao NADP+ é realizado por compostos or-ganizados em três complexos protéicos, que atravessam a membrana tilacóide – PSI, PSII e citocromo b6f – e por dois transportadores móveis: plastoquinona, semelhante à ubiquinona (coenzima Q), e plastocianina, uma proteína que con-

tém cobre. Os transportadores solúveis fazem a conexão entre os complexos, exercendo a mesma função da ubiquinona e do citocromo c mitocondriais. Os elétrons percorrem trans-

Figura 4. Componentes do fotossistema nas membranas tilacóides. (a) A distri-buição dos fotossistemas I e II, da ATP sintase e do complexo do citocromo b6f não é aleatória. (b) Ampliação de um fotossistema, mostrando o centro de reação, clorofilas, antenas e pigmentos acessórios. Fonte: Lehninger, 1995.

Na membrana tilacóide, há dois tipos de fotossistemas[A6]: fotossistema I (PSI) e fotos-sistema II (PSII). Cada um deles é um complexo transmembranar, contendo o centro de reação,

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36portadores com potenciais de redução cres-centes, de modo que as transferências de elé-trons são sempre espontâneas.

O complexo PSII absorve luz pelo centro da reação P680, que passa para uma forma exci-tada P680*, com potencial de redução muito menor e que perde elétrons, convertendo-se na forma oxidada P680+ (Figura 5). P680+ é um forte oxidante capaz de oxidar a água – a regeneração da forma reduzida de P680 é obtida por elétrons provenientes da água. A fotooxidação da água, uma das reações mais endergônicas dos seres vivos, é catalisada por um complexo denominado OEC (oxygen-evol-ving complex) ou complexo de cisão da água. Este complexo contém quatro íons de manga-nês e um de cálcio e interage com um resíduo de tirosina, Tyrz, frequentemente representado pelo símbolo Z. O complexo OEC é o primeiro aceptor de elétrons da água; ele passa qua-tro elétrons, um por vez ao P680+. O doador imediato de elétron ao P680+ é o resíduo de tirosina, Tyrz, na proteína do centro da reação do PSII. Este resíduo de tirosina readquire o seu elétron faltante pela oxidação de um agre-gado de íons manganês do complexo OEC. A cada transferência de elétrons, este agregado de Mn torna-se mais oxidado; quatro transfe-

rências de elétrons, cada uma correspondendo à absorção de um fóton, produzem uma carga de +4 no complexo de Mn. Nesta forma, o complexo Mn pode retirar quatro elétrons de um par de moléculas de água, liberando 4 H+ no lúmen do espaço tilacóide e forman-do oxigênio molecular. Diversas outras cadeias laterais de aminoácidos de PSII participam in-diretamente das transferências de elétrons, es-tabilizando intermediários instáveis e forman-do um canal de prótons, que devem migrar de OEC até o lúmen do espaço tilacóide. Os elétrons emitidos por P680 são recebidos por uma cadeia de transportadores de elétrons constituintes de PSII. O primeiro componente desta cadeia é a feofitina a (Feo a). As feofiti-nas são moléculas semelhantes à clorofila, mas que possuem dois prótons, substituindo o íon magnésio. Os seguintes componentes são as plastoquinonas A e B (PQA e PQB

[A7]). A redu-ção de uma molécula de plastoquinona a plastoquinol requer 2(H+ + e-).

VoCÊ sabia

• Que o herbicida DCMU (3-(3,4-diclorofenil)-1,1-di-metiluréia) compete com PQB pelo sítio de ligação PQB no fotossistema II, bloqueando, dessa forma, a transferência de elétrons fotossintetizantes?

Figura 5. Transferências de elétrons que se processam na fotossíntese de plantas. Na fotofosforilação não-cíclica, os elétrons originados da água reduzem o NADP+. Na fotofosforilação cíclica (seta vermelha tracejada), os elé-trons emitidos por ferredoxina são transferidos ao citocromo b6f, retornando a P700, via plastocianina. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

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2H2O+2NADP++nH+(estroma) luz 2NADPH+2H+ +O2+nH+ (tilacóide)

A transferência de elétrons das moléculas de plastoquinol assim como a movimentação de prótons são catalisadas pelo complexo do cito-cromo b6f. Este complexo contém um citocro-mo do tipo b, um centro Fe-S e um citocromo do tipo c, o citocromo f (de folha), asseme-lhando-se ao citocromo bc1 da mitocôndria. Este complexo promove o acoplamento do transporte de elétrons à translocação de pró-tons por meio do ciclo Q. Ocorrendo a oxi-dação das moléculas de plastoquinol (QH2) à plastoquinona (Q): os prótons são bombeados para o interior do espaço tilacóide, e os elé-trons são doados à plastocianina (Pc). E daí, são entregues ao complexo PSI, também sob iluminação.

O complexo PSI absorve luz por meio de P700, que se converte em uma forma excitada P700*, com potencial de redução muito baixo e que, ao emitir elétrons, origina a forma oxi-dada P700+ (Figura 5). O déficit de elétrons de P700 é reposto à custa de P680, através da plastocianina. Em seguida, os elétrons per-correm uma cadeia de transporte de elétrons, constituída de uma clorofila do tipo a (Clor a), uma filoquinona (FQ) e três centros Fe-S. Os elétrons deixam PSI e reduzem a ferredoxina (Fd), uma proteína Fe-S presente no estroma. Por ação da ferredoxina-NADP+ óxido-reduta-

se (FNR), os elétrons são transferidos para o NADP+, o aceptor final de elétrons que reage com prótons do estroma, originando NADPH. A equação geral de óxido-redução da fase cla-ra da fotossíntese é:

A energia conservada no gradiente de prótons é utilizada para sintetizar ATP.

3.1. sÍNtese de atP Gerado Pelo FlUXo de elÉtroNs

A síntese de ATP acoplada ao fluxo de elétrons em cloroplastos é denominada fotofosforila-ção ou fosforilação fotossintetizante, para dis-tinguir da fosforilação oxidativa na respiração das mitocôndrias.

A conexão entre a água e o NADP+ é realizada por três complexos protéicos, que atravessam a membrana tilacóide, ligados por dois trans-portadores solúveis (Figura 6). O transporte de elétrons ocorre em uma membrana imper-meável a prótons e que delimita uma vesícula, sendo fatores essenciais para que se estabeleça um gradiente de prótons. O sentido do trans-porte de prótons no cloroplasto é do estroma para o interior da vesícula tilacóide.

Figura 6. Segmento da membrana tilacóide, mostrando a disposição dos componentes que participam do transporte de elétrons desde a água até o NADP+, acoplado à fotofosforilação. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

Quando os elétrons são transferidos de um composto para outro, sempre com diminuição de energia livre, a energia é conservada como um gradiente de prótons através da membrana tilacóide. As etapas que contribuem para gerar o gradiente de prótons são: a cisão da água, que libera prótons no lúmen do tilacóide; a

redução das plastoquinonas, que retira H+ do estroma; o bombardeamento do estroma para o interior do tilacóide pelo citocromo b6f via ciclo Q e a redução de NADP+ pela ferredoxina--NADP+ óxido-redutase, que consome H+ do estroma (Figura 6). Os prótons retornam para o estroma através da ATP sintase, que possui

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38estrutura e propriedades semelhantes à da ATP sintase mitocondrial. A porção F1 dessa enzi-ma, que contém o sítio de formação de ATP, fica voltada para o estroma. Agentes, como o 2,4-dinitrofenol, desacoplam o transporte de elétrons da síntese de ATP, porque transferem os prótons através de membranas.

A absorção de um fóton provoca a emissão de um elétron por P680, de modo que 4 fótons são necessários para extrair os 4 elétrons de 2 moléculas de água e produzir uma molécula de O2; 4 fótons adicionais são absorvidos para a emissão de 4 elétrons por PSI. O resultado da absorção de 8 fótons e do transporte de 4 elétrons é a produção de NADPH (a redução de um NADP+ consome 2 elétrons) e a liberação no lúmen do tilacóide de 12 H+. A passagem desses prótons pela ATP sintase gera 3 molé-culas de ATP. A estequiometria da fase clara da fotossíntese ainda não está bem definida. Pesquisas recentes indicam a necessidade de 10-11 quanta de luz por molécula de O2 pro-duzida, em vez do valor teórico de 8 quanta; mostram também que o rotor da ATP sintase de cloroplastos é formado por 14 polipeptí-deos, ou seja, sua rotação completa requer a passagem de 14 H+ para promover a síntese de 3 ATP. E, ainda, este rendimento deve estar superestimado, pois não considera o vazamen-to de prótons através da membrana tilacóide.

PesQUise e resPoNda

1. O herbicida3-(3,4-diclorofenil)-1,1-dimeti-luréia (DCMU) bloqueia o fluxo de elétrons do fotossistema 1. Qual é o efeito sobre a fotorrespiração quando o DCMU é adicio-nado a vegetais?

3.2. o FlUXo CÍCliCo de elÉtroNs ProdUZ atP, Mas Não, o NadPH oU o2

Os elétrons da água só são utilizados para a redução de NADP+, quando os dois fotossiste-mas funcionam acoplados na fotofosforilação não-cíclica. O fotossistema I pode funcionar de forma independente, de tal forma que os elé-trons, por ele emitidos, a ele retornam, em um processo cíclico (Figura 5), denominado foto-

fosforilação cíclica. Esta via é uma alternativa para o fluxo de elétrons induzidos pela luz, que permite que os cloroplastos variem a relação NADPH e ATP, formados durante a iluminação.

Os elétrons de P700*, depois de reduzirem a ferredoxina, se movimentam de volta através do complexo do citocromo b6f, com trans-locação de H+ para o lúmen do tilacóide; os elétrons, através da plastocianina, são devol-vidos a PSI, completando o ciclo. Neste tipo de transferência de elétrons, não há produ-ção de NADPH ou liberação de O2. No entan-to, ocorre a síntese de ATP, sustentada pelo bombeamento de prótons. Acredita-se que o fluxo cíclico de elétrons e a fotofosforila-ção ocorrem quando as células das plantas já estão amplamente supridas com o poder redutor na forma de NADPH, mas necessi-tam de ATP adicional para outras necessida-des metabólicas. http://www.youtube.com/watch?v=HrMka8vj73U

4. reaÇÕes de FiXaÇão de CarboNoEm outra etapa das reações da fotossíntese, o ATP e o NADPH, produzidos pela reação de luz, são utilizados para fixar e reduzir o carbo-no e sintetizar açúcares. Esta via que promove a fixação de carbono é chamada de ciclo de Calvin. Este processo representa uma diferença fundamental entre os organismos autotróficos (fototróficos ou quimiotróficos) e heterotrófi-cos. Os autotróficos podem utilizar o CO2 como a única fonte de todos os átomos de carbono necessários para as reações de biossíntese, não apenas de celulose e do amido mas também de lipídeos e proteínas e de muitos componen-tes orgânicos das células vegetais. Os organis-mos heterotróficos são, em geral, incapazes de realizar a redução do CO2 para formar glicose “nova”. O CO2 pode ser captado pelos tecidos animais, como na reação da piruvato carboxi-lase, durante a gliconeogênese, mas a molé-cula de CO2, incorporada no oxaloacetato, é perdida em uma etapa da via. Da mesma for-ma, o CO2, captado pela acetil-CoA carboxilase durante a síntese de ácidos graxos, nos tecidos animais ou pela carbamoil fosfato sintetase I, durante a formação da uréia, é perdido em etapas posteriores.

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39O ciclo de Calvin (Figura 7) ocorre em três es-tágios. Inicia-se com a carboxilação de ribulose 1,5-bisfosfato (C5), formando um composto instável de seis carbonos, que logo é clivado em duas moléculas de 3-fosfoglicerato (2 C3). Cada molécula de fosfoglicerato, primeiro pro-duto detectável do ciclo de Calvin, contém três átomos de carbono, por isso o ciclo também é conhecido como via C3. A reação é catalisada pela ribulose 1,5-bisfosfato carboxilase/oxige-nase (rubisco), ausente em tecidos animais, e, certamente, a enzima mais abundante da biosfera. O nome da enzima enfatiza que ela possui duas atividades catalíticas.

No segundo estágio do ciclo, 3-fosfoglicera-to é reduzido a gliceraldeído-3-fosfato. Este ocorre em duas reações, em que o 3-fosfogli-cerato é fosforilado à custa de ATP, produzin-do 1,3-bisfosfoglicerato, e este é reduzido a gliceraldeído-3-fosfato. No cloroplasto, estas reações são irreversíveis, e a coenzima, utiliza-da pela gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase, é NADP+; na gliconeogênese, são reversíveis, e a coenzima é NAD+.

No terceiro estágio do ciclo, cinco de seis moléculas de gliceraldeído 3-fosfato são usa-

Figura 7. Resumo do ciclo de Calvin. Fonte: Raven, Guanabara Koogan, 2004.

das para regenerar três moléculas de ribulose 1,5-bisfosfato, que é o composto inicial.

A cada volta completa do ciclo de Calvin, uma molécula de dióxido de carbono entra e é re-duzida, e uma molécula de ribulose 1,5-bis-fosfato é regenerada. Três voltas no ciclo, com a introdução de três átomos de carbono, são necessárias para produzir uma molécula de gli-ceraldeído-3-fosfato. O ciclo de Calvin requer mais ATP que NADPH, mostrando a importân-cia do ATP gerado na fotofosforilação cíclica. O produto líquido do ciclo é uma molécula de gliceraldeído-3-fosfato, que requer, para sua

síntese, seis moléculas de NADPH e nove moléculas de ATP. No in-terior do estroma do cloroplasto, estão todas as enzimas necessá-rias para converter as trioses fos-fatos, produzidas pela fixação de CO2 em amido, o qual é armaze-nado no cloroplasto como grânu-los insolúveis.

À noite, se não houver ATP e NA-DPH disponíveis, os organismos fotossintéticos têm que recorrer aos processos de obtenção de ATP, usados por seres heterotró-ficos, como oxidação de com-postos orgânicos por vias, como: glicólise, ciclo de Lynen, ciclo de Krebs dentre outros, através da fosforilação oxidativa.

4.1. reGUlaÇão do CiClo de CalViN

O ciclo de Calvin, embora tam-bém seja chamada de fase escu-ra, só ocorre em presença de luz. Esta dependência é conseqüência

da regulação de enzimas, cuja ativação só é acionada quando há transporte de elétrons in-duzido por absorção de energia luminosa.

A atividade da rubisco depende do pH e da concentração de Mg2+, aumentando à medida que estas variáveis aumentam. Durante o bom-beamento de prótons para o interior da vesícula tilacóide, ocorre concomitantemente transferência de íons Mg2+ para o estroma, onde se encontra a rubisco. Essa elevação de pH (com a saída dos prótons do estroma) e da

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40concentração de Mg2+ ativa a enzima, resul-tando em uma eficiente fixação de Co2.

Três enzimas do ciclo de Calvin, frutose 1,6-bisfosfatase, sedoeptulose 1,7-bisfosfata-se e rubulose 5-fosfato quinase são funcionais, apenas, quando têm grupos SH preservados, inativando-se, quando estes grupos oxidados fazem ligação dissulfeto (R − S − S − R). A redução das pontes dissulfeto é obtida a partir de elétrons emitidos por PSI, sob iluminação.

5. FotorresPiraÇão, PlaNtas C4 e PlaNtas MaCA atividade predominante da rubisco, carbo-xilase e oxigenase dependerá das concentra-ções relativas de CO2 e O2, pois estas molécu-las competem como segundos substratos pela enzima (o primeiro é a ribulose 1,5-bisfosfa-to). Na reação de oxigenase, o O2 reage com a ribulose 1,5-bisfosfato para formar 3-fosfo-glicerato e 2-fosfoglicolato. Nenhum carbono é fixado durante essa reação, e é necessário gastar energia para restaurar os carbonos do fosfoglicolato, que não é um metabólito útil. A via de recuperação é longa e utiliza três or-ganelas celulares: cloroplasto, peroxissomo e

mitocôndria. (Figura 8)

A atividade oxigenase da rubisco, combinada com a via de restauração, consome O2 e libera CO2, um processo denominado fotorrespiração.

Aparentemente, a evolução da rubisco selecio-nou um sítio ativo que não é capaz de discrimi-nação entre CO2

[A8] e O2, talvez porque a maior parte de sua evolução ocorreu antes do O2 ser um importante componente da atmosfera.

Quando a luminosidade é alta, e a tempera-tura, elevada, a intensa fotossíntese faz dimi-nuir a concentração de CO2 nos cloroplastos e aumentar a de O2, que passa a ser utilizado preferencialmente como substrato pela rubis-co. E ainda a atividade oxigenase dessa enzi-ma aumenta mais com a temperatura do que a atividade carboxilase. Este é um fator limi-tante para o crescimento de muitas plantas de interesse agrícola. Atualmente a engenharia genética é de grande importância para resol-ver esse problema através da modificação da atividade da rubisco. Plantas de regiões tropi-cais desenvolveram mecanismos engenhosos que possibilitam um crescimento adequado, mesmo com concentrações baixas de CO2, em suas folhas.

VoCÊ sabia

• Que o CO2 penetra pela folha, através do estômato, poros especializados que se abrem e fecham, depen-dendo, dentre outros fatores, do estresse hídrico?

E quando uma planta está exposta ao calor, ou condições de seca, ela fecha os estômatos para economizar água? E isto promove a interrupção do fornecimento de CO2 e a produção de O2 pela fotossíntese, favorecendo a fotorrespiração?

5.1. as PlaNtas troPiCais CoNCeNtraM Co2, ForMaNdo oXaloaCetato: as PlaNtas C4

A maior parte das plantas tropicais bem como as plantas de cultivo agrícola da zona temperada, mas originárias dos trópicos, como o milho, a cana-de--açúcar e o sorgo, desenvolveram um mecanismo para evitar o problema de desperdício de energia decorrente da fotorrespiração. Nestas, o primeiro pro-duto detectável da fixação de carbono não é uma molécula de três átomos de

Figura 8. Via de recuperação do fosfoglicolato formado durante a fotorrespiração. (a) Re-ação 1: fosfoglicolato é desfosforilado nos cloroplastos para formar glicolato. (b) Reações 2 e 3: nos peroxissomos, o glicolato é oxidado a glioxalato, o qual, por sua vez, é transa-minado à glicina. (c) Reação 4: na mitocôndria, duas moléculas de glicina condensam-se e formam serina e CO2, que é liberado durante a fotorrespiração. (d) Reações 5 e 6: nos peroxissomos, a serina é transaminada a hidroxipiruvato, que é reduzido a glicerato. O glicerato então entra nos cloroplastos.(e) Reação 7: o glicerato é fosforilado a 3-fosfogli-cerato, que retorna ao ciclo de Calvin. O oxigênio é consumido em dois pontos, na via da fotorrespiração, uma vez no cloroplasto (a atividade oxigenase da rubisco), e a outra no peroxissomo (oxidação de glicolato a glioxalato). FONTE: Raven, Guanabara Koogan, 2004.

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41carbono, o 3-fosfoglicerato, mas, uma com quatro átomos de carbono, o oxaloacetato. As plantas que podem empregar essa via C4, jun-tamente com o ciclo de Calvin, são chamadas de plantas C4, para distinguir das plantas C3, que utilizam somente o ciclo de Calvin.

A ocorrência da via de assimilação de CO2 em compostos de quatro átomos está associada a um tipo especial de anatomia das folhas. Nas plantas C4, as células do mesófilo localizam--se próximas à superfície da folha, ficando em contato com o ar atmosférico; são desprovidas de rubisco e contêm uma carboxilase que ori-gina o composto C4, que tem afinidade muito maior que a rubisco. Estas células superficiais envolvem completamente as células da bai-nha, que se situam no interior da folha, circun-dando o tecido vascular, e que contêm rubisco e todas as enzimas do ciclo de Calvin, além de numerosos cloroplastos. Ocorre, desse modo, uma especialização de funções: as células do mesófilo retêm o CO2 (como oxaloacetato), que é fornecido para as células da bainha, as únicas capazes de incorporá-lo em glicose.

O oxaloacetato é formado, quando o dióxi-do de carbono é fixado ao fosfoenolpiruvato numa reação catalisada pela fosfoenolpiruvato carboxilase. O oxaloacetato é reduzido a mala-to por uma malato desidrogenase dependente de NADPH, e o malato é transferido para as células da bainha (Figura9). Nestas células, o malato é descarboxilado pela enzima málica, p r o d u z i n d o CO2, NADPH e piruvato. O CO2 é utili-zado na rea-ção catalisada pela rubisco, segu indo- se as demais re-ações do ciclo de Calvin. O pi-ruvato é trans-portado para as células do mesófilo, onde regenera fos-foenolpiruvato por ação da piruvato-fosfa-to diquinase.

A via de fixação de CO2 nas plantas C4 tem um custo energético maior que nas plantas C3. Para cada molécula de CO2 fixada na via C4, uma molécula de fosfoenolpiruvato precisa ser regenerada à custa de dois grupos fosfatos de alta energia do ATP. As plantas C4

A9 precisam de um total de cinco moléculas de ATP para fixar uma molécula de CO2, enquanto que as plantas C3 gastam, apenas, três.

VoCÊ sabia

• Que as plantas C4 (por exemplo: espécie de capim que invade as gramas do jardim) crescem melhor que a maioria das plantas C3 durante o verão?

5.2. PlaNtas MaC arMaZeNaM Co2 atraVÉs de UMa VariaNte da Via C4

Uma variante da via C4, que separa a aquisição de CO2 e o ciclo de Calvin no tempo em vez de no espaço, ocorre em muitas plantas suculen-tas do deserto. Se essas plantas abrissem seus estômatos durante o dia para adquirir CO2 como a maioria das plantas, elas perderiam uma grande quantidade de água por transpi-ração. Para minimizar a perda de água, essas plantas absorvem CO2 somente à noite (Figura 10) e usam as reações da via C4 para armaze-ná-lo como malato. Esse processo é conheci-do como metabolismo ácido das crassuláceas (MAC), por ter sido descoberto em plantas da

família Crassulaceae. A grande quantidade de fosfoenolpiruvato neces-sária para estocar o supri-mento de CO2 de um dia é obtida pela degradação de amido via glicólise. No decorrer do dia, o malato é degradado a CO2, que entra no ciclo de Calvin, e o piruvato é utilizado para ressintetizar o ami-do. Plantas MAC são ca-pazes de fazer fotossínte-se com perda mínima de água.

Figura 9. Via C4 em milho. Fonte: Raven, Guanabara Koogan, 2004.

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PesQUise e resPoNda

1. As folhas de algumas plantas de deserto têm o sabor azedo no início da manhã, mas, à medida que o dia passa, elas se tor-nam insípidas. Explique por que razão isto ocorre.

resUMoA fotossíntese é o processo pelo qual a energia luminosa permite a redução de CO2 para pro-duzir carboidratos. Em plantas e cianobacté-rias, a fotossíntese oxida água a O2.

O processo fotossintético é realizado por pro-teínas embebidas na membrana do tilacóide e dissolvidas no estroma dos cloroplastos. A clorofila e outros pigmentos que absorvem luz estão organizados em complexos coletores de luz que direcionam a energia luminosa aos centros de reação.

Em plantas e cianobactérias, os fotossistemas I e II operam série. A oxidação da água, promo-vida pela fotooxidação do PSII, libera elétrons que fluem do PSII, através de um complexo citocromo b6f, do PSI e, finalmente, para o NADP+.

O fluxo de elétrons no PSI pode ser não-cíclico, resultando na redução de NADP+, ou cíclico, o que faz com que os pró-tons adicionais sejam transferidos para o lú-men do tilacóide.

Os prótons, liberados pela oxidação da H2O, e os prótons, transferidos para dentro do lúmen do tilacóide, geram um gra-diente transmembrana de prótons, que é utili-zado pela ATP sintase do cloroplasto para realizar a fosforilação do ADP.

O processo de fotossín-tese nas bactérias varia de acordo com a espé-cie estudada. Nelas, o sistema responsável pela fotossíntese pode estar imerso na membrana plasmática ou em estruturas resultantes de in-vaginações da membrana, os cromatóforos.

As reações da fase “escura” usam o ATP e o NADPH, produzidos nas reações de luz, para realizar a síntese de carboidratos a partir de CO2. Na primeira fase do ciclo de Calvin, o CO2 reage com ribulose-1,5-bisfosfato para pro-duzir gliceraldeído-3-fosfato. As reações re-manescentes do ciclo regeneram o aceptor de CO2, ribulose-1,5-bisfosfato.

A fotorrespiração, na qual as plantas conso-mem O2 e produzem CO2, usa ATP e NADPH produzidos pelas reações de luz. As plantas C4 minimizam a atividade oxigenase da RuBP-car-boxilase, concentrando CO2 em suas células fotossintetizantes. As plantas MAC usam um mecanismo semelhante para conservar água.

HiPerliNK

1. FotossÍNtese eM baCtÉrias

O processo de fotossíntese bacteriana varia com a espécie. Nas bactérias, o sistema fotos-sintetizador pode estar imerso na membrana plasmática ou em estruturas resultantes de in-

Figura 10. Metabolismo ácido das crassuláceas (MAC). Fonte: Raven, Guanabara Koogan, 2004.

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43vaginações da membrana, geralmente vesícu-las, chamadas de cromatóforos.

O processo de fotossíntese bacteriana envolve a síntese de ATP à custa de energia lumino-sa. Os elétrons de alta energia, emitidos por pigmentos, sob iluminação, são transportados por uma cadeia de compostos organizados em uma membrana, em ordem crescente de potencial de óxido-redução; parte da energia liberada gera um gradiente de prótons, que é utilizado para a síntese de ATP. Outros aspec-tos do processo podem diferir, quando compa-rados os três grupos de bactérias: as cianobac-térias, bactérias verdes e bactérias púrpuras.

Nas cianobactérias (Oscillatoria, Anabaena etc), a fotossíntese é similar à das plantas su-periores e de algas. Nelas, a redução de NADP+ à NADPH é um processo mediado pela luz, e esses elétrons são obtidos por fotólise da água, resultando na produção de O2. A fotossíntese emprega dois fotossistemas, cujos centros de reação são constituídos de clorofila a.

Nas bactérias verdes (Chlorobium, Chlorofle-xus etc), e nas bactérias púrpuras (Rhodopseu-domonas, Rhodospirillum etc), o processo fo-tossintético não produz oxigênio, porque não há fotólise da água. Os doadores de elétrons utilizados são H2S, H2 ou compostos orgânicos presentes no meio. Há somente um fotossiste-ma, e o pigmento fotorreceptor é uma bacte-rioclorofila. A fotossíntese não-oxigênica pode (em bactérias verdes) ou não (em bactérias púrpuras) envolver a redução de coenzimas.

O fotossistema das bactérias púrpuras asseme-lha-se estruturalmente ao fotossistema II das plantas, mas o transporte de elétrons é cíclico, como acontece com o fotossistema I. O fotos-sistema é um complexo protéico que atravessa a membrana plasmática, ao qual se associam quatro moléculas de bacterioclorofila, duas de bacteriofeotina, um íon ferro e duas quinonas (QA e QB). Em algumas espécies, o fotossiste-ma contém também um citocromo do tipo c com quatro grupos heme. Duas moléculas de bacterioclorofila formam o par especial. O par especial é frequentemente denominado pelo seu comprimento de onda (em nm) de maior absorbância. Por exemplo, onde o centro de reação é referido como P870. Neste caso, as

bactérias fotossintéticas tendem a habitar la-gos de águas escuras e a ficar estagnadas onde a luz visível (400-800nm) não penetra; elas ne-cessitam de um tipo de clorofila capaz de ab-sorver no infravermelho próximo. Os elétrons são transferidos para as feofitinas, passando para QA e depois para QB (Figura 11). Em se-guida, ocorre a oxidação das quinonas pelo citocromo bc1, acoplada ao bombeamento de prótons do citoplasma para o espaço periplas-mático. O complexo bc1 entrega elétrons ao citocromo c2. Deste, os elétrons retornam ao P870, que pode recomeçar o transporte cícli-co de elétrons. O gradiente de prótons forma-do favorece a síntese de ATP pela ATP sintase. Neste processo, não se formam coenzimas re-duzidas nem há fotólise da água.

As bactérias verdes usam a energia da luz para transferir elétrons para NADP+. Estas bactérias têm um único fotossistema que absorve luz, passa para uma forma excitada e emite elé-trons. Os elétrons são transferidos para ferre-doxina e, em seguida para o NADP+, formando o NADPH.

Na fotossíntese das bactérias verdes e púrpu-ras, os elétrons são repostos por redutores do meio (H2S, H2, NO2-, álcoois, ácidos). A depen-dência da disponibilidade desses compostos limita a sobrevivência destas bactérias a nichos ecológicos restritos.

A fixação do CO2 nas bactérias fotossintéticas pode ser obtida pelo ciclo de Calvin ou por vias metabólicas específicas.

Figura 11. Fluxo cíclico de elétrons durante a fotossíntese em bactérias-púr-puras. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

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reFerÊNCiasLEHNINGER, A.L., NELSON, D.L. E COX, M.M. Princípios de bioquímica, São Paulo: Sarvier, 1995.

RAVEN, P. H. Biologia Vegetal. Guanabara Koo-gan Edição: 2004.

MARZZOCO, A & TORRES, B.B. Bioquímica Bá-sica, 3ª ed, Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2007.

VOET, D., VOET, J.G. & PRATT, C. W. Funda-mentos da Bioquímica, Porto Alegre: Artmed, 2000.

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MetabolisMo dos liPÍdeos

obJetiVos esPeCÍFiCos

• Explicitar como ocorre a digestão e absor-ção dos lipídeos;

• Evidenciar como é realizado o transporte de lipídeos no plasma;

• Identificar a ß-oxidação e sua importância;

• Explicitar os produtos da ß-oxidação em ácidos graxos com número par e número ímpar de átomos de carbono;

• Entender o processo de síntese de corpos cetônicos bem como sua importância;

• Identificar o processo de síntese de ácidos graxos;

• Explicar como é formado os ácidos graxos de cadeia muito longa e insaturados;

• Descrever o processo de síntese de triacil-gliceróis;

• Explicar a síntese do colesterol;

• Citar a etapa limitante da síntese do co-lesterol.

Palavras-chaves: lipídeos, sais biliares, lipopro-teínas, β-oxidação, corpos cetônicos, coleste-rol, triacilgliceróis.

Profa. Maria Cristina Halla Carga Horária I 8 H

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46iNtrodUÇão

O metabolismo dos lipídeos envolve vias de grande importância para a vida. Dentre as funções dos lipídeos, a de reserva energética pode ser demonstrada através da corcova do camelo, que fornece energia e água metabó-lica por períodos de dias ou semanas. Outros organismos que sofrem alterações importan-tes no conteúdo de gordura corporal são os mamíferos hibernantes e as aves, que migram longas distâncias, sem se restabelecerem.

1. deGradaÇão de triaCilGliCerÓisOs triacilgliceróis são os lipídeos dietéticos mais abundantes e constituem a forma de ar-mazenamento de todo o excesso de nutrien-tes, seja carboidratos, proteínas ou os próprios lipídeos. Representam a maior reserva ener-gética do organismo, perfazendo, em média, 20% do peso corpóreo, o que equivale a uma massa 100 vezes maior do que a do glicogênio hepático. Por serem compostos mais reduzidos que os carboidratos, sua oxidação apresenta rendimento de 9kcal/g, enquanto que a dos carboidratos produz 4kcal/g. Os triacilgliceróis são armazenados no tecido adiposo, sob a for-ma anidra.

A mobilização dos triacilgliceróis é iniciada pela ação da lipase hormônio-sensível dos adipóci-tos. Esta enzima catalisa a hidrólise de uma mo-lécula de ácido graxo do triacilglicerol; outras lipases completam o processo de hidrólise dos triacilgliceróis a glicerol e ácidos graxos.

O glicerol não pode ser reaproveitado pelos adi-pócitos, que não têm glicerol quinase, sendo então liberado na circulação. No fígado e nos outros tecidos, é convertido a glicerol-3-fosfato, que pode ser transformado em diihidroxiaceto-na fosfato, um intermediário da glicólise ou gli-coneogênese.

Os ácidos graxos liberados dos adipócitos são transportados pelo sangue, ligados à albumina e utilizados por tecidos, como fígado e múscu-los, onde são oxidados por uma via que se pro-cessa no interior da mitocôndria, fornecendo energia à célula.

2. oXidaÇão de ÁCidos GraXos

2.1. atiVaÇão dos ÁCidos GraXos

A oxidação dos ácidos graxos requer primei-ramente sua conversão em uma forma ativa, onde sofrem reação de acilação dependente de ATP, para formar o acil-CoA. Esta reação é catalisada no citosol pela acil-CoA sintetase, as-sociada à membrana externa da mitocôndria:

R—CH2—CH2—COO- + ATP + H—SCoAR—CH2—CH2—C—SCoA + AMP + PPi

Nesta reação, forma-se uma ligação tioéster entre o grupo carboxila do ácido graxo e o gru-po SH da coenzima A. A acil-Coa formado, as-sim como o acetil-CoA, é rico em energia. Sua ligação tioéster é formada à custa de energia derivada de uma ligação anidrido fosfórico por clivagem do ATP em adenosina monofosfato (AMP) e pirofosfato (HP2O7

3- ou PPi). A reação é completada pela hidrólise altamente exergô-nica do pirofosfato, para formar dois fosfatos inorgânicos (2 HPO4

2- ou 2 Pi).

2.2. traNsPorte atraVÉs da MeNbraNa MitoCoNdrial

O processo de oxidação após a ativação do áci-do graxo ocorre no interior da mitocôndria. A acil-Coa de cadeia longa não pode atravessar diretamente a membrana mitocondrial inter-na. Para que haja esse transporte, é necessário que a porção acila da acil-CoA seja transferida para a carnitina, um composto encontrado em tecidos animais e vegetais. A ligação reversível do grupo acila à carnitina é catalisada pela car-nitina-acil transferase. Existem duas isoformas da enzima, denominadas I e II, que se locali-zam nas faces externa e interna da membrana interna da mitocôndria, respectivamente. O processo de translocação é mediado por uma proteína carreadora específica, que transporta a acil-carnitina à mitocôndria, ao mesmo tem-po que transporta a carnitina livre na direção oposta (Figura 1).

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PesQUise e resPoNda

1. A carnitina é um suplemento utilizado por atletas com o intuito de diminuir as gordu-ras localizadas. Como você explicaria esta ação da carnitina?

2.3. ß-oXidaÇão

Na matriz mitocondrial, acil-CoA é oxidada por uma via denominada ß-oxidação (ou ciclo de Lynen), onde ocorre a oxidação do carbono ß do ácido graxo (Figura 2). Esta oxidação ocorre em quatro reações:

1. Oxidação da acil-CoA a uma enoil-CoA (acil-CoA ß-insaturada) de configuração

trans, por meio da conversão de FAD a FADH2, a única reação irreversível da via.

2. Hidratação da dupla ligação pela enoil--CoA- hidratase, formando a 3-L-hidroxia-cil-CoA.

3. Oxidação do grupo hidroxila à carbonila, resultando em ß-cetoacil-CoA e NADH.

4. Clivagem da ligação Cα—Cß em uma re-ação de tiólise, catalisada pela ß-cetoacil--CoA-tiolase (tiolase), formando acetil-CoA e uma nova acil-CoA, contendo dois carbo-nos a menos que a original. Esta acil-CoA refaz o ciclo várias vezes até ser totalmente convertida a acetil-CoA.

Figura 1. Transporte de ácidos graxos à mitocôndria. FONTE: Voet, Artmed, 2000.

Figura 2. Rota da β-oxidação.(FONTE: Voet, Artmed, 2000.

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48A oxidação dos ácidos graxos também ocorre nos peroxissomos, que são organelas citoplas-máticas, envoltas por uma membrana única, presentes praticamente em todas as células eucarióticas. A ß-oxidação peroxissomal em animais promove o encurtamento de ácidos graxos de cadeia linear muito longa (com mais de 20 átomos de carbono), as quais são então completamente degradadas pelo sistema de ß-oxidação mitocondrial. Nos vegetais, a oxi-dação de ácidos graxos ocorre exclusivamente nos peroxissomos e nos glioxissomos (um tipo especializado de peroxissomo, característico de sementes oleaginosas). A acetil-Coa, pro-duzida nos peroxissomos, pode ser convertida em glicose, devido à presença, nestas organe-las, das enzimas do ciclo do glioxilato. Estas enzimas estão ausentes em células animais, onde o acetil-CoA não é gliconeogênico.

Nos peroxissomos, os ácidos graxos de cadeia muito longa são transportados por uma per-mease, sem auxílio da carnitina e são ativados por uma acil-CoA-sintetase de cadeia longa. A ß-oxidação peroxissomal requer, apenas, três enzimas:

1. A acil-CoA-oxidase que catalisa a reação, em que a acil-CoA é convertida em trans-∆2-enoil-CoA, tendo o FAD como co-fator. Os elétrons removidos são transferidos di-retamente para o oxigênio, em vez de se-rem transferidos pela cadeia de transporte de elétrons com concominante fosforila-ção oxidativa. A oxidação peroxissomal de ácidos graxos gera dois ATP a menos por ciclo de C2 que a oxidação mitocondrial. A catalase converte o peróxido de hidrogê-nio, gerado a partir do oxigênio reduzido, em água e oxigênio.

2. Uma enzima bifuncional, que exibe ativi-dades de enoil-CoA-hidratase e ß-hidroxi--acil-CoA-desidrogenase, em que catalisa as reações idênticas do sistema mitocon-drial. (Figura 2, reações 2 e 3)

3. A tiolase peroxissomal catalisa a etapa fi-nal da oxidação. Essa enzima só aceita como substrato acil-CoA, com número de carbonos maior do que oito. As moléculas resultantes da ß-oxidação peroxissômica podem ser transportadas para as mitocôn-drias, onde são oxidadas.

2.3.1. A OXIDAÇÃO DO ÁCIDO PALMÍTICO PRODUZ 129 ATP

A função da oxidação dos ácidos graxos[w1] é a geração de energia metabólica. A oxidação completa de um ácido graxo exige a coope-ração entre o ciclo de Lynen, que converte o ácido graxo em acil-CoA, e o ciclo de Krebs, que oxida o grupo acetila a CO2.

VoCÊ sabia

• que os ursos realizam a β-oxidação durante o perío-do de hibernação, para obtenção de energia?

Em cada volta do ciclo de Lynen, produz um NADH, um FADH2, uma acetil-CoA. A acetil--CoA, produzida na oxidação dos ácidos gra-xos, pode ser oxidada a CO2 e H2O, no ciclo de Krebs e cadeia tranportadora de elétrons. A oxidação de cada acetil-CoA pelo ciclo de Kre-bs gera um FADH2, três NADH e um GTP. Pela fosforilação oxidativa, NADH e FADH2 formam, respectivamente, 3 e 2 ATP.

O número de voltas percorridas, por um áci-do graxo até sua conversão total a acetil-CoA dependerá do seu numero de átomos de car-bono. Para a oxidação completa de uma molé-cula de ácido palmítico que tem 16 átomos de carbono, são necessárias sete voltas no ciclo, já que, na última volta, formam-se duas mo-léculas de acetil-CoA, com produção de oito moléculas de acetil-CoA. A partir desses da-dos, pode-se concluir que a oxidação de uma molécula de ácido palmítico produz 131 ATP, porém como o processo de ativação do ácido graxo consumiu duas moléculas de ATP, o ren-dimento líquido foi de 129 ATP.

PesQUise e resPoNda

1. O camelo é um animal: mamífero, herbí-voro, artiodáctilo e ungulado, que contém duas espécies: o dromedário, que tem, apenas, uma corcova, e o bactriano, que possui duas corcovas. Quando atravessa o deserto, pode ficar alguns dias sem be-ber água. Qual combustível é encontrado em sua corcova? Qual o metabolismo que ocorre durante esse período (jejum e absti-nência de água) que pode gerar energia e água para o animal?

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492.3.2. ß-OXIDAÇÃO DOS ÁCIDOS GRAXOS COM NÚMERO ÍMPAR DE ÁTOMOS DE CARBONO

Os ácidos graxos com número ímpar de áto-mos de carbono constituem uma pequena fra-ção dos ácidos graxos da dieta. Algumas plan-tas e organismos marinhos sintetizam esses ácidos graxos. Esses ácidos graxos são oxida-dos na ß-oxidação, no entanto a última volta do ciclo de Lynen inicia-se com uma acil-CoA de cinco átomos de carbonos e produz uma molécula de acetil-CoA e uma de propionil--CoA. A propionil-CoA origina-se, também, da degradação de alguns aminoácidos.

Para sua oxidação, a propionil é convertida a succinil-CoA (Figura 3), um intermediário do ciclo de Krebs. Inicialmente, a propionil-CoA é carboxilada a D-metilmalonil-CoA, em uma reação que requer biotina, a coenzima que transfere o CO2. Em seguida, D-metilmalonil--CoA forma succinil-CoA em duas etapas: transformação do isômero D em L e isomeriza-ção deste último composto, utilizando como coenzima a 5’-desoxiadenosil-cobalamina[A2].

VoCÊ sabia

• Que a coenzima 5’-desoxiadenosil-cobalamina é de-rivada da cobalamina ou vitamina B12?

Figura 3. Conversão de propionil-CoA, proveniente da oxidação de ácidos graxos de número ímpar de carbonos, à succinil-CoA. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed, 2007.

2.3.3. OXIDAÇÃO DE ÁCIDOS GRAXOS INSATURADOS

Os ácidos graxos insaturados são muitos co-muns em tecidos animais e vegetais. Pratica-mente todos os ácidos graxos de origem bio-lógica contêm, apenas, ligações duplas em cis, que quase sempre começam entre C9 e C10.

Após remoção de algumas unidades de dois carbonos pelo ciclo de Lynen, o ácido graxo insaturado pode originar dois tipos de enoil--CoA, conforme a posição original da dupla ligação em sua molécula (Figura 4); se a dupla ligação for de número ímpar, como a ∆9 do ácido oléico, forma-se uma cis-∆3-enoil-CoA; se for de número par, como a ∆12 do ácido linoléico, resulta uma cis-∆4-enoil-CoA.

Para oxidação dessas acil-CoA insaturadas, são necessárias, além das enzimas da ß-oxidação, outras enzimas que as convertem em trans-∆2-enoil-CoA, o intermediário insaturado da ß-oxidação, substrato da enoil-CoA hidratase.

A conversão cis-∆3-enoil-CoA em trans-∆2-enoil-CoA é catalisada por uma enoil-CoA isomerase.

Figura 4. Reações adicionais às do ciclo de Lynen para a oxidação de áci-dos graxos insaturados. a) Ácido graxo com dupla ligação de número ímpar, após algumas voltas no ciclo de Lynen, resulta uma cis-Δ3-enoil-CoA; b) ácido graxo com dupla ligação de número par produz cis-Δ4-enoil-CoA FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed, 2007.

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50A cis-∆4-enoil-CoA é reconhecida pela acil-CoA desidrogenase do ciclo de Lynen que a conver-te em trans-∆2-cis-∆4-dienoil-CoA, que não é aceita pela enoil-CoA hidratase. Para prosse-guimento de sua oxidação, é necessária a par-ticipação de uma dienoil-CoA-redutase, que reduz a ligação cis-∆4 à custa de NADPH, origi-nando trans-∆3-enoil-CoA. Na seqüência, uma trans-∆3 → trans-∆2 isomerase transforma a dupla ligação trans-∆3 em trans-∆2, chegan-do ao intermediário insaturado da ß-oxidação.

2.3.4. OXIDAÇÃO DE ÁCIDOS GRAXOS RAMIFICADOS OU HIDROXILADOS

Ácidos graxos, contendo ramificações ou hi-droxilações, são pouco frequentes nos animais superiores. Nestes organismos, os ácidos gra-xos ramificados ocorrem, apenas, como com-ponentes da cera produzida pelas glândulas sebáceas, e os hidroxilados (uma hidroxila no carbono a), como componentes de esfingo-lipídeos do sistema nervoso. Um ácido graxo ramificado constitui uma exceção, o ácido fi-tânico, derivado do fitol (Figura 5a), um álcool com 20 carbonos, que constitui a cadeia late-

ral isoprenóide da clorofila. Os animais rumi-nantes, por pastarem, ingerem grandes quan-tidades de clorofila, da qual o fitol é removido pelas bactérias do trato gastrointestinal. Na forma livre, o fitol é absorvido e oxidado a áci-do fitânico, que é incorporado aos lipídeos do tecido adiposo e do leite. Como conseqüência, as fontes dietéticas do ácido fitânico para os seres humanos são as gorduras, o leite e os laticínios provenientes dos ruminantes.

O ácido fitânico possui um grupo metila no carbono ß (e em outros carbonos de número ímpar), que não é reconhecido pela acil-CoA desidrogenase, que catalisa a primeira reação da ß-oxidação. Essa situação é contornada pela a-oxidação (Figura 5b), que ocorre nos pero-xissomos e se inicia com a hidroxilação do car-bono a. Neste ponto, a degradação dos ácidos graxos metilados confunde-se com aquela dos ácidos graxos hidroxilados. Segue-se uma oxi-dação e uma descarboxilação, resultando em um composto que tem o grupo metila agora no carbono a e apresenta o carbono ß não--substituído, podendo ser ativado e oxidado pela ß-oxidação peroxissômica.

Figura 5. a) Estrutura do fitol e do fitanato (ácido fitânico). b) Etapas da β-oxidação peroxissômica de ácidos graxos ramificados e hidroxilados. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed, 2007.

3. CorPos CetÔNiCosA acetil-CoA, produzida pela oxidação de áci-dos graxos, pode ser oxidada adicionalmente no ciclo de Krebs. Nas mitocôndrias de fígado,

uma fração significativa dessa acetil-CoA tem outro destino. A cetogênese é um processo, em que a acetil-CoA é convertida em acetoa-cetato e em ß-hidroxibutirato. O acetoacetato sofre descarboxilação espontânea, originando

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51acetona. Os três compostos são chamados, em conjunto, de corpos cetônicos[A3][A4]. O proces-so ocorre na matriz mitocondrial, onde três moléculas de acetil-CoA se condensam em duas etapas (Figura 6). Na primeira, catalisa-da pela tiolase, duas moléculas de acetil-CoA originam a acetoacetil-CoA; esta reação, cons-titui a última reação da última volta do ciclo de Lynen, embora em sentido oposto. A reação de acetoacetil-CoA com a terceira molécula de acetil-CoA forma 3-hidroxi-3-metilglutaril--CoA[A5] (HMG-CoA). Sua clivagem origina ace-toacetato e acetil-CoA. O acetoacetato produz ß-hidroxibutirato e acetona.

VoCÊ sabia

• Que a denominação corpos cetônicos para o aceto-acetato, ß-hidroxibutirato e acetona é inadequada, pois apenas a acetona é uma cetona e os demais são ácidos?

• Que os corpos cetônicos são combustíveis metabóli-cos importantes para vários tecidos, como, por exem-plo, o coração, o músculo esquelético e o cérebro?

• Que o 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA (HMG-CoA) é o

precursor do colesterol?

4. sÍNtese de ÁCidos GraXos

4.1. traNsPorte de aCetil-Coa MitoCoNdrial Para o Citosol

Em seres humanos, a maior parte da produção endógena de ácidos graxos ocorre no fígado e, em menor extensão no tecido adiposo. Os áci-dos graxos são sintetizados a partir de carboi-dratos e do excedente de proteínas da dieta. A síntese de ácidos graxos ocorre por meio da condensação de unidades C2 (acetil-CoA), o in-verso do processo de ß-oxidação. A acetil-CoA, precursora dos ácidos graxos, é produzida pela descarboxilação oxidativa do piruvato e, tam-bém, pela oxidação dos ácidos graxos.

Quando a demanda de ATP é baixa, de modo que a oxidação de acetil-CoA pelo ciclo de Kre-bs e fosforilação oxidativa são mínimas, essa acetil-CoA mitocondrial pode ser armazena-da na forma de gordura para uso futuro. No entanto, a síntese de ácidos ocorre no citosol. Como a membrana interna mitocondrial é im-permeável à acetil-CoA, os carbonos do grupo acetila são transportados sob a forma de ci-trato. Sob condições em que a carga energé-tica celular é alta, pela baixa demanda de ATP (razão ATP/ADP alta), o citrato não pode ser oxidado pelo ciclo de Krebs em virtude da ini-bição da isocitrato desidrogenase e é transpor-tado para o citosol pela tricarboxilato translo-case, onde é cindido em acetil-CoA, à custa de ATP, numa reação catalisada pela citrato liase. O oxaloacetato é reduzido a malato pela ma-lato desidrogenase citossólica, uma isoenzima da malato desidrogenase mitocondrial. O ma-lato sofre descarboxilação oxidativa a piruvato pela enzima málica e retorna, nessa forma, à mitocôndria (Figura 7). Além do piruvato, é produzido NADPH, que é utilizado nas reações de redução de síntese de ácidos graxos. O piru-vato mitocondrial é convertido a oxaloacetato, por ação da piruvato carboxilase. Essas reações têm a finalidade de transportar carbonos da acetil-CoA (sob a forma de citrato), com gasto de ATP, da mitocôndria para o citosol e, ainda, a produção de NADPH. Acetil-CoA e NADPH citosólicos podem ser utilizados na síntese dos ácidos graxos.Figura 6. Reações de formação de corpos cetônicos, com seu apro-

veitamento pelo músculo e coração. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed, 2007.

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4.2 sÍNtese de ÁCidos GraXos a Partir de aCetil-Coa e MaloNil-Coa

A síntese de ácidos graxos ocorre por meio da união seqüencial de unidades de dois car-bonos. A primeira unidade é proveniente de acetil-CoA, e todas as unidades subseqüentes originam-se de malonil-CoA.

A malonil-CoA é formada pela carboxilação da acetil-CoA, em uma reação catalisada pela acetil-CoA carboxilase, que tem como grupo prostético a biotina (Figura 8). Esta etapa é o principal ponto de regulação da síntese de áci-dos graxos.

O início da síntese (Figura 10) ocorre com a transferência do grupo acetila da acetil-CoA para o ACP, catalisada pela acetil-CoA-ACP tran-sacilase (enzima 1). Depois a acetila é transferi-da para o grupo SH de um resíduo de cisteína de outra enzima da sintase, a β-cetoacil-ACP sintase (enzima 3). O ACP livre pode receber o grupo malonila da malonil-CoA, formando malonil-ACP, por ação da malonil-CoA-ACP transacilase (enzima 2). Em seguida, ocorre uma condensação dos grupos acetila e malo-nila, catalisada pela β-cetoacil-ACP sintase ou enzima de condensação (enzima 3), originan-do um β-cetoacil-ACP de quatro carbonos com liberação de CO2. Este CO2 é aquele utilizado na carboxilação de acetil-CoA a malonil-CoA. Apesar de o CO2 ser imprescindível à síntese de ácidos graxos, seu átomo de carbono não aparece no produto.

O β-acetil-ACP de quatro carbonos formado sofre redução, desidratação e novamente re-dução, todas catalisadas, respectivamente por β-acetil-ACP redutase (enzima 4), β-hidroxiacil-ACP desidratase (enzima 5) e enoil-ACP reduta-se (enzima 6). As duas redutases usam NADPH como doador de elétrons. Termina o primeiro ciclo de síntese com a formação de butiril-ACP.

O elongamento da cadeia, por adição de uni-dades de dois carbonos fornecidos por ma-lonil-CoA, requer que o grupo butirila seja transferido para o SH da β-acetil-ACP sintase, liberando o ACP, que pode receber outro gru-po malonila. A repetição do ciclo por mais de seis voltas, perfazendo um total de sete voltas,

Figura 7. Transporte do grupo acetila da acetil-CoA, sob a forma de ci-trato, da mitocôndria para o citosol. As enzimas e as translocases (da membrana interna da mitocôndria) que participam do processo são: (1) citrato sintase, (2) tricarboxilato translocase, (3) citrato liase, (4) malato de-sidrogenase, (5) enzima málica, (6) piruvato translocase e (7) piruvato car-boxilase. As setas tracejadas indicam transporte através de translocases.FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed, 2007.

Figura 8. Formação de malonil-CoA a partir da acetil-CoA. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed, 2007.

A síntese de ácidos graxos é catalisada por um sistema enzimático denominado sintase de ácidos graxos. Faz parte desta sintase uma pequena proteína não-enzimática, denomina-da proteína carreadora de acila ou ACP (Acyl--Carrier Protein), à qual está sempre ligada a cadeia de ácido graxo em crescimento. Esta proteína tem como grupo prostético um deri-vado do ácido pantotênico, a fosfopanteteína, também componente da coenzima A (Figura 9). A longa cadeia de fosfopanteteína do ACP transporta os substratos entre os diferentes centros ativos componentes da sintase.

Figura 9. O ACP, como a coenzima A, une-se a grupos acila por ligação tioéster com a sulfidrila terminal do grupo da fosfopanteteína (em vermelho). A fosfo-panteteína está ligada a um resíduo de serina da cadeia polipeptídica do ACP (em roxo) e ao grupo fosfato da 3’-fosfoadenosina (em azul), componente da coenzima A. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed, 2007.

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53leva à formação de palmitoil-ACP, que é reco-nhecido pela tioesterase (enzima 7); a ligação tioéster do substrato é hidrolisada, liberando o ácido palmítico.

Vale ressaltar que, apesar de os tipos de rea-ções na via de síntese de ácidos graxos e no ciclo de Lynen se oporem, uma via não é o in-verso da outra. (Figura 11)

Figura 10. Reações catalisadas por sintases de ácidos graxos. As enzimas cons-tituintes das sintases são: (1) acetil-CoA-ACP transacilase, (2) malonil-CoA--ACP transacilase, (3) β-cetozcil-ACP sintase, (4) β-cetoacil-ACP redutase, (5) β-hidroxiacil-ACP desidratase, (6) enoil-ACP redutase, (7) tioesterase (não consta no esquema). A sintase dos ácidos graxos está representada por uma esfera na qual estão destacados o ACP, com sua sulfidrila terminal, e a β-cetoacil-ACP sinta-se (enzima 3), com o grupo SH de um dos seus resíduos de cisteína. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed, 2007.

A síntese do ácido palmítico (16C) requer: 1 acetil-CoA, 7 malonil-CoA, 7 ATP consumidos na formação de 7 malonil-CoA a partir de 7 acetil-CoA e 14 NADPH utilizados nas 7 voltas da síntese.

O NADPH pode ser proveniente da reação ca-talisada pela enzima málica e, também, da via das pentoses fosfato. A importância entre as duas fontes de NADPH depende do tecido considerado. Nos vegetais fotossintéticos, a síntese de ácidos graxos ocorre nos cloroplas-tos, onde também é produzido NADPH, pelas reações da fase clara da fotossíntese.

Figura 11. Comparação entre a síntese e a degradação de um ácido graxo. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed, 2007.

PesQUise e resPoNda

1. O triclosan é uma substância encontrada em cosméticos, pastas de dente e sabone-tes antisépticos. Acreditou-se que o triclo-san atuasse como microbicida geral (que atuava de modo inespecífico, dificultando a bactéria desenvolver resistência), como a água sanitária ou a luz ultravioleta. No entanto, o triclosan atua semelhante a um antibiótico (como alvo bioquímico especí-fico). Qual enzima da síntese dos ácidos graxos em bactérias é inibida pelo triclo-san? Diante do que foi exposto você acre-dita que algumas bactérias podem desen-volver resistência ao triclosan?

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5. aloNGaMeNto e iNsatUraÇão de ÁCidos GraXos – ÁCidos GraXos esseNCiais

Os lipídeos dos animais e vegetais são muito ricos em ácidos graxos insaturados. Esses lipídeos são importantes, pois como componentes de membranas determinam a fluidez adequada destas, mantêm a integridade e a resistência dos capilares sanguíneos, além de participarem do transpor-te de colesterol. Alguns ácidos graxos insaturados produzidos a partir de ácidos graxos essenciais são precursores de moléculas reguladores de processos fisiológicos, os eicosanóides.

O ácido palmítico, um ácido graxo saturado (16C), por ação de alongases e dessaturases é conver-tido em ácidos graxos saturados muito longos e em ácidos graxos insaturados. As alongases estão presentes na mitocôndria e no retículo endoplasmático, porém os mecanismos de alongamento nos dois locais são diferentes. As alongases promovem adições sucessivas de unidades de dois carbonos, por meio de uma reação de condensação, seguida de redução, desidratação e nova redução, ou seja, a mesma seqüência de etapas que levam à síntese de ácido palmítico. Na via que ocorre no retículo endoplasmático, o substrato doador de carbonos é malonil-CoA e o agente redutor, NADPH. Na mitocôndria, o alongamento utiliza acetil-CoA, NADH e NADPH.

As células animais têm uma capacidade de sintetizar ácidos graxos insaturados muito menor que as células vegetais. Os mamíferos dispõem de dessaturases que produzem insaturações apenas nas posições ∆4, ∆5, ∆6 e ∆9, não havendo possibilidade de introdução de duplas li-gações entre carbonos mais distantes da carboxila do que C9, ou seja, entre este carbono e o carbono ω. Contudo, ácidos graxos, contendo insaturações além do C9, como ∆12 (ω-6) e ∆15 (ω-3), são imprescindíveis para estes organismos. Estes ácidos graxos são obtidos através das plantas, que possuem dessaturases capazes de sintetizar essas duplas ligações.

As células vegetais podem adicionar uma dupla ligação ∆12 ao ácido oléico, convertendo-o em ácido linoléico, que sofre uma insaturação adicional (∆15) e origina o ácido a-linolênico. Estes dois últimos ácidos graxos são essenciais aos mamíferos.

A partir destes, o organismo humano produz, através de dessaturação e alongamento, duas fa-mílias de ácidos graxos mais longos e com maior número de insaturações: a família ω-6, como por exemplo, o ácido γ-linolênico e o ácido araqui-dônico, e a família ω-3, que pode ser exempli-ficada pelos ácidos eicosapentanóico e docosa-exaenóico (abundantes no cérebro e na retina).

6. sÍNtese de triaCilGliCerÓisOs triacilgliceróis são sintetizados a partir de acil-CoA derivada dos ácidos graxos e glicerol-3--fosfato. O glicerol 3-fosfato é originado através da via glicolítica, sendo a glicose, portanto, es-sencial para a síntese de triacilgliceróis no tecido adiposo. No fígado, existe uma via alternativa para obtenção de glicerol 3-fosfato: a fosforila-ção do glicerol (Figura 12). O glicerol 3-fosfato é acilado em duas etapas, formando fosfatidato (diacilglicerol 3-fosfato), que, por hidrólise do grupo fosfato, origina diacilglicerol. Figura 12. Síntese de triacilgliceróis.

FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed, 2007.

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7. MetabolisMo do ColesterolEmbora a concentração de colesterol plasmá-tico (maioritariamente ligado às LDL) esteja positivamente correlacionada com a incidência de infarto de miocárdio precoce, o colesterol é um composto essencial para a vida, estando presente nos tecidos animais. Além de fazer parte da estrutura das membranas celulares, é também um reagente de partida para a bios-síntese hormônios esteróides, dos sais biliares e da vitamina D.

É obtido por meio de síntese celular e da dieta. O colesterol endógeno é sintetizado pelo fíga-do, em um processo regulado por um sistema compensatório: quanto maior for a ingestão de colesterol vindo dos alimentos, menor é a quantidade sintetizada pelo fígado. Um in-divíduo saudável, com dieta contendo baixo teor de colesterol, sintetiza cerca de 70% do colesterol total (800mg/dia). Os principais ór-gãos responsáveis pela produção endógena de colesterol são o fígado e o intestino delgado.

A síntese de colesterol ocorre no citosol e no retículo endoplas-mático das células nucleadas do organismo a partir da acetil-CoA. A partir de três moléculas de acetil-CoA forma-se 3-hidroxi-3--metilglutaril-CoA (HMG-CoA) (Fi-gura 13), por ação seqüencial de duas enzimas citosólicas, tiólase e hidroximetilglutaril-CoA sintase (HMG-CoA sintase). Em seguida, a HMG-CoA é reduzida a meva-lonato pela ação da HMG-CoA redutase, uma enzima ligada ao retículo endoplasmático. Esta é a reação limitante da síntese do colesterol. A HMG-CoA redutase é regulada por mecanismos de fosforilação reversível dependen-te de hormônios e do estado nu-tricional (glucagon promove fos-forilação e conseqüente inibição; insulina promove desfosforilação e conseqüente ativação), por efei-tos na transcrição (o colesterol inibe a síntese da HMG-CoA redu-tase) e por inibição pelo produto, o mevalonato.

O mevalonato (C6) sofre duas fosforilações e uma descarboxilação, originando a unidade isoprenóide, o isopentenil-pirofosfato (C5). Além do colesterol, outros compostos apre-sentam estruturas formadas por múltiplos de unidades isoprenóides, como as vitaminas A, E e K, os carotenóides, a borracha, a clorofila e a coenzima Q.

Seis moléculas de isopentenil-pirofosfato são utilizadas na síntese do esqualeno (C30), num processo em que ocorrem reações de isome-rização, condensação, redução por NADPH e eliminação de pirofosfato.

A ciclização do esqualeno ocorre por meio de reações complexas, muitas ainda não compre-endidas. São mais de 20 reações, incluindo consumo de O2 e NADPH, remoção de grupos metila e migração de duplas ligações até a for-mação da molécula do colesterol. A síntese do colesterol é um processo redutivo, que ocorre com grande consumo de energia: para cada molécula formada, são gastos 18 ATP e deze-nas de NADPH.

Figura 13. Síntese do colesterol. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed, 2007.

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PesQUise e resPoNda

1. Explique a importância do colesterol para o ser humano. Necessitamos de colesterol na nossa dieta?

2. As recomendações gerais para a compo-sição de lipídeos de uma dieta saudável são: (1) redução dos teores de lipídeos to-tais e de gorduras saturadas; (2) aumento do teor de lipídeos ricos em ácidos graxos insaturados, particularmente do tipo ome-ga-3 e omega-6; (3) eliminação de gor-duras, apresentando ácidos graxos trans. Explique o porquê.

resUMoA oxidação de ácidos graxos inicia-se com a ativação do grupo acila pela formação de um tioéster com CoA. O grupo acila é transferido para a carnitina para transporte à mitocôndria, onde é reesterificado à CoA.

A β-oxidação ocorre em quatro reações: (1) formação de uma ligação dupla a,β, (2) hi-dratação da ligação dupla, (3) desidrogenação para formar uma β-cetoacetil-CoA e (4) tiólise pela CoA para produzir acetil-CoA e uma acil--CoA encurtada em dois carbonos. Esse pro-cesso repete-se até que os ácidos graxos com número par de carbonos sejam convertidos em acetil-CoA, e os ácidos graxos com número ímpar de carbonos sejam convertidos em ace-til-CoA e uma molécula de propionil-CoA. A acetil-CoA é oxidada pelo ciclo de Krebs e pela fosforilação oxidativa para gerar ATP. A propio-nil-CoA é convertida em succinil-CoA, através da rota dependente de cobalamina (B12).

A oxidação de ácidos graxos insaturados re-quer uma isomerase. Os ácidos graxos de ca-deia muito longa são parcialmente oxidados por um sistema de enzimas nos peroxissomas.

O fígado utiliza acetil-CoA para sintetizar ace-toacetato e β-hidroxibutirato, que são libera-dos na corrente sanguínea. Os tecidos, que utilizam esses corpos cetônicos como combus-tível, convertem-nos de volta em acetil-CoA.

Ácidos graxos saturados de cadeia longa são sintetizados a partir de acetil-CoA. Outros ácidos graxos são sintetizados a partir de palmitato, por meio de ação de elongases e dessaturases.

Os triacilgliceróis humanos são sintetizados a partir de acil-CoA e gliceraldeído 3-fosfato.

O colesterol é sintetizado a partir de unidades acetil que passam por intermediários de HMG--CoA e mevalonato até a conversão de unida-des isoprenes. Seis unidades de isoprene (C5) condensam-se para formar o esqualeno (C30), que é ciclizado, formando o lanosterol, que é o precursor do colesterol.

HiPerliNK

1. diGestão e absorÇão de liPÍdeos

Dos lipídeos que são ingeridos através da die-ta, a maior fração (cerca de 90%) é constituída de triacilgliceróis. Eles são a principal forma de armazenamento de energia metabólica nos se-res humanos.

1.1. DIGESTÃO E ABSORÇÃO

A digestão dos triacilgliceróis é realizada por enzimas. Devido às diferenças entre os dois, no caráter de solubilidade, esse processo ocorre na interface lipídeo-água, onde, na fase aquo-sa, agem as enzimas. A área da superfície da interface assim como os movimentos peristál-ticos juntamente com a ação emulsificante dos ácidos biliares são fatores que influenciam o processo de digestão. Os ácidos biliares ou sais biliares (forma desprotonada, que ocorre no pH fisiológico e, portanto, mais apropriada), são moléculas anfipáticas do tipo detergen-te que auxiliam na solubilização da gordura. Essas substâncias são derivadas do colesterol e sintetizadas no fígado, sendo armazenadas pela vesícula biliar na forma de conjugados de glicina ou de taurina (Figura 14).

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Tabela 1- Composição das principais lipoproteínas do plasma humano % dos lipídeos totais

Lipoproteína Densidade(g . cm-3)

Total de proteínas (%)

Total de lipídeos

Fosfolipídeos Colesterol Triacilgliceróis Ésteres de colesterol

Quilomícrons 0,90 2 98 8 2 87 4

VLDL 0,98 8 93 18 8 58 13

IDL 1,01 17 83 24 9 30 28

LDL 1,04 22 78 22 9 10 42

HDL 1,14 48 53 33 7 8 41

A composição das diferentes classes de lipoproteínas é variável, porque sofrem alterações metabólicas contínuas; os valores apresentados são a média entre os valores máximos e mínimos verificados em indivíduos normais. O diâmetro destas partículas decresce a partir de 103nm, nos quilomícrons, até 10nm, nas HDL. As apolipoproteínas constituintes das diferentes lipoproteínas foram omitidas.FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed, 2007

A hidrólise dos triacilgliceróis é catalisada pela lipase pancreática. A atividade da lipase pan-creática aumenta em contato com a interface lipídeo-água. Sua ligação à interface lipídeo--água requer a proteína colipase pancreática.

Outras lipases, como a fosfolipase A, também catalisam reações nas interfaces. No entanto, sua conformação não é alterada, pois contém um canal hidrofóbico, que fornece um aces-so direto do substrato à superfície lipídica do agregado fosfolipídico (micela ou membrana) ao sítio ativo da enzima ligada. Isso elimina o processo de solvatação e dessolvatação do substrato, na ligação da micela à enzima.

Os ácidos graxos, mono e diacilgliceróis, pro-duzidos na digestão, são absorvidos pela mu-cosa intestinal. Os sais biliares auxiliam na

absorção intestinal dos lipídeos da digestão e, também, na absorção das vitaminas lipos-solúveis A, D, E e K. As micelas formadas pelos sais biliares capturam os produtos apolares da degradação dos lipídeos, permitindo que eles sejam transportados através da camada aquo-sa intacta na parede intestinal.

2. traNsPorte de liPÍdeos

Os lipídeos, insolúveis em meio aquoso, são transportados na forma de agregados de lipí-deos apolares associados a lipídeos anfipáticos e proteínas, formando as lipoproteínas plas-máticas. Os ácidos graxos são mobilizados, ligados à albumina sérica. Apenas uma pe-quena fração de ácidos graxos é transportada pelas lipoproteínas plasmáticas na forma de ésteres de colesterol.

As lipoproteínas plasmáticas são partículas esfé-ricas com um núcleo central de lipídeos apolares - ésteres de colesterol e triacilgliceróis – circun-dado por uma monocamada de lipídeos anfipá-ticos – fosfolipídeos e colesterol – o qual estão associadas moléculas de proteína. Essas pro-teínas são denominadas de apolipoproteínas.

As lipoproteínas plasmáticas são classificadas segundo a sua densidade, que é tanto menor quanto maior for o seu teor de lipídeos (Tabela 1). Sua composição sofre modificações contí-nuas devido à troca de moléculas de lipídeos e de apolipoproteínas.

Figura 14. Estruturas dos principais ácidos biliares e seus conjugados de glicina e de taurina. FONTE: Voet, Artmed, 2000.

Os quilomícrons são lipoproteínas sintetizadas na mucosa intestinal, a partir dos lipídeos da dieta, que são transportados para os tecidos. São ricos em triacilgliceróis. São liberados na

linfa intestinal e transportados através dos vasos linfáticos, até serem lançados nas veias maiores do corpo. Os quilomícrons aderem a sítios de ligação no endotélio dos capilares no

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58músculo esquelético e no tecido adiposo. Os triacilgliceróis, constituintes dos quilomícrons, são hidrolisados pela ação da enzima extracelular, lipoproteína-lipase. Os tecidos captam, em segui-da, os monoacilgliceróis e os ácidos graxos liberados. Os quilomícrons encolhem, à medida que seus triacilgliceróis são hidrolisados, até serem reduzidos a quilomícrons remanescentes, ricos em colesterol. Estes se dissociam do endotélio dos capilares e reentram na circulação, para serem captados pelo fígado. (Figura 15)

As VLDL (Very Low Density Lipoproteins) são sintetizadas no fígado e transportam colesterol e triacilgliceróis para outros tecidos. As VLDL são degradadas, também, pela lipoproteína--lipase nos capilares do tecido adiposo e mus-cular. Os ácidos graxos liberados são capta-dos pelas células e oxidados, para fornecerem energia ou serem utilizados para ressintetizar triacilgliceróis. A molécula de glicerol, compo-nente do triacilglicerol, é transportada para o fígado ou para os rins e convertido no interme-diário glicolítico diidroxiacetona-fosfato. As re-manescentes de VLDL, que liberaram os triacil-gliceróis e algumas de suas apolipoproteínas, originam as IDL (Intermediate Density Liporpo-teins) e as LDL (Low Density Lipoproteins), ricas em colesterol, predominantemente na forma de ésteres de colesterol. As LDL são a princi-pal fonte de colesterol para os tecidos, exceto

Figura 15. Transporte plasmático de triacilglicerol e de colesterol em seres humanos. FONTE: Voet, Artmed, 2000.

fígado e intestinos. Elas penetram na célula, através de endocitose, mediada por receptor.

As HDL (High Density Lipoproteins) têm fun-ção oposta à das LDL, atuando na remoção do colesterol dos tecidos para o fígado. A HDL é montada no plasma, a partir de componentes, na sua maioria, obtidos através da degradação de outras lipoproteínas.

3. ColiPase

A colipase pancreática é uma proteína, que forma um complexo 1:1 com a lipase pan-creática. Estruturas por raios X de complexos de lipase colipase pancreáticas revelam a base estrutural da ativação interfacial da lipase e o modo pelo qual a colipase auxilia a lipase a ligar-se na interface lipídeo-água. (Figura 16)

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Na ausência de micelas lipídicas, o sítio nativo da lipase está coberto por uma tampa helicoi-dal de 25 resíduos. No entanto, na presença de micelas, tal tampa sofre uma reorganização estrutural complexa, que expõe o sítio ativo. Uma alça de 10 resíduos altera a sua confor-mação, formando o sulco de oxiânion da enzi-ma ativa e formando uma superfície hidrofóbi-ca próxima à entrada do sítio ativo.

A colipase liga-se ao domínio C-terminal da lípase, estendendo as extremidades hidrofó-bicas de suas três alças a partir do complexo. Isso cria uma superfície hidrofóbica contínua, além do sítio ativo da lipase, o que provavel-mente auxilia a ligação do complexo à super-fície lipídica.

4. CorPos CetÔNiCos O fígado libera acetoacetato e ß-hidro-xibutirato, que são transportados pela corrente sanguínea para os tecidos perifé-ricos, para serem usados como combustí-veis alternativos. Esses órgãos são capazes de utilizar os dois compostos por possuí-rem uma enzima, ausente no fígado, a ß--acetil-CoA transferase. Esta enzima mito-condrial catalisa a transferência de CoA de succinil-Coa para acetoacetato, formando acetoacetil-CoA e succinato. A acetoace-til-CoA é um intermediário de ciclo de Ly-nen, e por ação da tiolase, é cindida em duas moléculas de acetil-CoA, que podem ser oxidadas pelo ciclo de Krebs. O ß-hi-droxibutirato é convertido em acetoaceta-to pela ß-hidroxibutirato desidrogenase. E a acetona, não é metabolizada, sendo volatilizada nos pulmões. O cérebro em situação de cetose acentuada, como je-jum prolongado e diabetes, passa a oxidar corpos cetônicos. A alta concentração de corpos cetônicos na circulação induz à sín-tese de monocarboxilato translocase, aná-loga à permease mitocondrial, que permi-te a entrada desses compostos nas células do sistema nervoso central, e a síntese das enzimas necessárias a sua oxidação.

Os corpos cetônicos constituem uma for-ma de transferência de carbonos oxidáveis

do fígado para outros órgãos. Normalmente, apenas uma pequena quantidade de acetil--CoA é convertida em corpos cetônicos no fí-gado. A produção de corpos cetônicos é anor-malmente elevada, quando a degradação dos triacilgliceróis não é acompanhada pela de-gradação de carboidratos, pois para oxidação eficiente de acetil-CoA pelo ciclo de Krebs, há necessidade de níveis compatíveis de oxaloace-tato, para promover a reação de condensação que inicia o ciclo. Na ausência de carboidratos, diminui a concentração de piruvato e, Con-sequentemente, a sua conversão a oxaloace-tato. E, ainda, quando não há oferta de glico-se, o organismo lança mão da gliconeogênese, que consome oxaloacetato, obtido de amino-ácidos, principalmente. A baixa concentração de oxaloacetato reduz, drasticamente, a velo-cidade de oxidação de acetil-CoA pelo ciclo de

Figura 16. Mecanismo de ativação interfacial da triacilglicerol-lipase. FONTE: Voet, Artmed, 2000.

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60Krebs, sendo assim, a acetil-CoA acumulada condensa-se, formando os corpos cetônicos. É o que ocorre, quando há redução drástica da ingestão de carboidratos (jejum ou dieta) ou distúrbios do seu metabolismo (diabetes). Quando a produção ultrapassa o aproveita-mento pelos tecidos extra-hepáticos, estabele-ce-se uma condição denominada cetose, ca-racterizada por uma concentração elevada de corpos cetônicos no plasma (cetonemia) e na urina (cetonúria). Um outro sintoma de indiví-duos com cetose é o odor de acetona em seu hálito. Como os outros dois corpos cetônicos são ácidos, a cetonemia resulta em acidose, que é a diminuição do pH do sangue.

5. eiCosaNÓides

A maioria das células nucleadas humanas produz eicosanóides. Prostaglandinas, pros-taciclinas, tromboxanes e leucotrienos são denominados eicosanóides, porque são todos compostos C20 (do grego eikos, vinte).

Ao contrário da maioria dos hormônios, não são transportados pela circulação, os eicosa-nóides atuam nas proximidades das células que os produzem. A maioria decompõe-se em segundos. A manutenção de sua ação requer produção contínua de novas moléculas.

As respostas aos eicosanóides incluem febre, dor, regulação da função das plaquetas e até indução do parto. A proteção da mucosa gás-trica e a regulação da pressão arterial são ou-tros efeitos característicos.

Os precursores mais importantes de eicosanói-des são os ácidos araquidônico (ω-6) e eicosa-pentaenóico (EPA, ω-3) que são constituintes de fosfolipídeos de membrana. Fosfolipases específicas, em resposta à lesão, inflamação e outros estímulos, hidrolisam fosfolipídios da membrana, particularmente, fosfatidilcolina e fosfatidiletanolamina, liberando, assim, o áci-do araquidônico. Este ácido liberado é então substrato para duas vias enzimáticas, a das ci-cloxigenases (COX), que desencadeiam a sínte-se das prostaglandinas e dos tromboxanos, e a via das lipoxigenases, responsável pela síntese dos leucotrienos. Os eicosanóides, sintetiza-dos a partir do ácido araquidônico, são diferentes daqueles sintetizados a partir de

EPA. O eicosanóide produzido dependerá das enzimas presentes nas células consideradas e do tipo de ácido graxo existente na membra-na, característica essa que sofre influência da composição de ácidos graxos da dieta.

Os antiinflamatórios, analgésicos e antipiréti-cos interferem no metabolismo dos eicosanói-des. Os corticosteróides inibem a fosfolipase, impedindo a síntese de todos eicosanóides derivados do ácido araquidônico. Já os antiin-flamatórios não-esteróidicos, como a aspiri-na, indometacina, ibuprofen, fenilbutazona, diclofenaco, piroxicam, bloqueiam, apenas, a via que origina prostaglandinas, prostaciclinas e tromboxanas, não atuando sobre o metabo-lismo dos leucotrienos (Figura 17).

A aspirina em doses baixas tem sido utilizada na prevenção de enfartes do miocárdio, para evitar a formação de trombos (coágulos), por inibir a síntese de tromboxanos, que estimu-lam a agregação de plaquetas, o passo inicial do processo de coagulação sanguínea.

reFerÊNCiaMARZZOCO, A & TORRES, B.B. Bioquímica Bá-sica, 3ª ed, Rio e Janeiro: Guanabara Koogan, 2007.

VOET, D., VOET, J.G. & PRATT, C. W. Funda-mentos da Bioquímica, Porto Alegre: Artmed, 2000.

Figura 17. Esquema simplificado da síntese dos eicosanóides a partir do ácido ara-quidônico. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed, 2007.

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MetabolisMo dos aMiNoÁCidos

obJetiVos esPeCÍFiCos

1. Explicitar como ocorre a degradação das proteínas intracelulares;

2. Evidenciar como é realizado o processo de desaminação dos aminoácidos;

3. Identificar o órgão responsável pelo ciclo da uréia;

4. Reconhecer a importância do ciclo da uréia;

5. Entender o que são animais amoniotélicos, ureotélicos e uricotélicos;

6. Reconhecer a toxidez da amônia;

7. Identificar os produtos finais de degrada-ção dos diferentes aminoácidos, reconhe-cendo o destino destes produtos;

8. Identificar os aminoácidos que podem ser sintetizados pelo organismo humano;

9. Compreender a origem do nitrogênio dos aminoácidos.

Palavras-chaves: aminoácidos, proteínas, desa-minação, ciclo da uréia.

Profa. Maria Cristina Halla Carga Horária I 8 H

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62iNtrodUÇão

Todos os organismos necessitam de uma fonte de nitrogênio. Os vegetais e muitas bactérias são capazes de sintetizar todos os aminoáci-dos, no entanto os seres humanos dependem do fornecimento exógeno de aminoácidos. A fonte primária de nitrogênio para os seres vi-vos é o nitrogênio atmosférico, um gás pouco reativo, que deve ser convertido a uma forma assimilável, a amônia. Somente bactérias con-têm a informação genética necessária para fixar nitrogênio. A amônia, nos seres capazes de sintetizar todos os 20 aminoácidos, como plantas e microorganismos, é utilizada inicial-mente, para formar glutamato e glutamina.

Neste capítulo, será verificado como ocorre a síntese e a degradação dos aminoácidos em mamíferos.

1. deGradaÇão de aMiNoÁCidosOs aminoácidos livres originam-se da degrada-ção das proteínas celulares e da digestão de proteínas da dieta. A oxidação dos aminoáci-dos se processa por vias variadas em virtude das diferenças estruturais entre as cadeias late-rais dos diferentes aminoácidos.

1.1. reMoÇão do GrUPo aMiNo dos aMiNoÁCidos

A remoção do grupo amino dos aminoácidos – alanina, arginina, aspartato, cisteína, fenila-lanina, glutamato, isoleucina, leucina, tirosi-na, triptofano e valina é realizada, de modo que ele é transferido para o a-cetoglutarato, formando glutamato. A cadeia carbônica do aminoácido é convertida ao a-cetoácido cor-respondente. Transaminases ou aminotransfe-rases são enzimas, presentes no citosol e na mitocôndria, que catalisam essas reações. Elas têm como coenzima o piridoxal-fosfato (Figura 1). Essas enzimas, na maioria dos tecidos, uti-lizam o a-cetoglutarato como aceptor do gru-po amino, formando glutamato; podem rea-gir, com menor afinidade, com oxaloacetato, que é convertido em aspartato. Um exemplo de transaminase é a alanina aminotransferase

ou alanina transaminase (ALT), ou ainda, tran-saminase glutâmico-pirúvica (TGP):

→Alanina + a-cetoglutarato Piruvato + Glutamato→

O glutamato é comum às reações de transa-minação, constituindo um reservatório tempo-rário do grupo amino, proveniente de muitos aminoácidos.

O glutamato formado pode seguir dois cami-nhos: uma nova transaminação ou uma de-saminação. A remoção do grupo amino por transaminação ocorre devido à reversibilidade das reações catalisadas por aminotransferases, pois a constante de equilíbrio é próximo de 1. Por ação da aspartato transaminase (AST) ou transaminase glutâmico-oxalacética (TGO), o grupo amino do glutamato é transferido para oxaloacetato, formando aspartato. (Figura2)

Figura 1. Reação geral de transaminação. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

Figura 2. Reação catalisada pela aspartato transaminase. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

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63A desaminação do glutamato libera amômia (NH3), que, em pH fisiológico, é convertida em íon amônio (NH4

+). Uma enzima mitocondrial, encontrada principalmente no fígado, o gluta-mato desidrogenase[A1][A2], catalisa essa reação. (Figura 3)

VoCÊ sabia

• Que a glutamato desidrogenase é uma enzima espe-cífica para o glutamato, e não se conhecem desidro-genases análogas para qualquer outro aminoácido. Portanto para que o grupo amino dos aminoácidos seja liberado como NH4

+ deve antes estar presente no glutamato?

• Que a glutamato desidrogenase é a única enzima

conhecida que pode aceitar NAD+ ou NADP+ como coenzima?

São nove aminoácidos - asparagina, glicina, glutamina, histidina, lisina, metionina, prolina, serina e treonina - que não participam de re-ações de transaminação. O seu grupo amino, ao contrário dos outros aminoácidos, é remo-vido por reações particulares a cada um deles. O aspecto em comum é a forma de remoção, em que o grupo amino é liberado como Nh4

+, em reações de desaminação ou forma gluta-mato por transaminação de um intermediário aminado com a-cetoglutarato. Desse modo, os átomos de nitrogênio destes aminoácidos convergem para os mesmos produtos origi-nados pelo grupo amino dos outros amino-ácidos: NH4

+ e glutamato que pode originar aspartato.

Dessa forma, a degradação dos 20 aminoáci-dos origina NH4

+ e aspartato, os precursores da uréia. (Figura 5)

Figura 3. Reação de desaminação do glutamato. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

A ação combinada das aminotransferases e da glutamato desidrogenase (Figura 4) resul-ta na convergência do grupo amino dos ami-noácidos para dois compostos únicos: NH4

+ e aspartato.

Figura 4. Ação das transaminases (T) e da glutamato desidrogenase (GD), canalizando o nitrogênio da maioria dos aminoácidos para as-partato e NH4

+. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

1.2. o CiClo da UrÉia

Uma parte do nitrogênio deve necessariamen-te ser eliminada pelo organismo, para manter o equilíbrio deste íon. Dependendo da molé-cula em que esse nitrogênio é eliminado, exis-tem três classes de animais:

1. Os animais amoniotélicos (peixes ósseos e girinos) excretam o nitrogênio do grupo amino através de suas guelras, como amô-nia, obtida pela hidrólise da glutamina.

Figura 5. Conversão do grupo amino dos aminoácidos em uréia. T: transaminase; GD: glutamato desidrogenase. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

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642. Os animais ureotélicos (a maioria dos ani-

mais terrestres) excretam o nitrogênio do grupo amino como uréia. A uréia é forma-da no fígado pelo ciclo da uréia.

3. Os animais uricotélicos (pássaros e répteis) excretam o nitrogênio do grupo amino numa forma semi-sólida, como ácido úri-co, um derivado das purinas. A formação da uréia, não-tóxica, e do ácido úrico, sóli-do, tem um alto gasto de energia metabó-lica, consumindo moléculas de adenosina trifosfato (ATP).

Nesta secção, será focalizado o ciclo da uréia, no qual esta é produzida no fígado, excretada para dentro da corrente sangüínea e removida pelos rins para excreção pela urina. A reação total do ciclo da uréia é descrita como:

Aspartato + NH4+ + HCO3

- + 3 ATP + H2O → Uréia + Fumarato + 2 ATP + 2 Pi + AMP + PPi + 4H+

Assim, os dois átomos de nitrogênio da uréia provêm do íon amônio e do aspartato, ao pas-so que o átomo de carbono é proveniente do HCO3

-.

A síntese de uréia (Figura 6) inicia-se na matriz mitocondrial, com a forma-ção de carbamoil-fosfato, a partir de bicarbonato e amônio, com consumo de duas moléculas de ATP. As reações subseqüentes compõem o ciclo da uréia[A3]. O carbamoil-fosfato, ainda na mitocôndria, condensa-se com a ornitina, originando citrulina; a citruli-na é transportada para o citosol, onde reage com o aspartato, formando arginino-succinato. Este se decompõe em arginina e fumarato. A arginina é hidrolisada, produzindo uréia e rege-nerando ornitina, que retorna à mito-côndria.

VoCÊ sabia

• Que a analogia do ciclo da uréia com o ciclo de Krebs é evidente, pois a ornitina tem papel semelhante ao do oxaloacetato e o carbamoil-fosfato equivale a acetil--CoA?

A síntese de uma molécula de uréia consome quatro ligações de fosfato ricas em energia. No entanto, o aspartato consumido no ciclo da uréia pode ser regenerado pelo fumarato que é formado nesta via. O fumarato pode ser convertido a oxaloacetato, por reações idênti-cas às do ciclo de Krebs, entretanto catalisadas por isoenzimas, as citossólicas. O oxaloaceta-to por transaminação forma aspartato (Figura 7). Este acoplamento inclui a produção de 1 NADH, na reação da malato desidrogenase, a partir do qual são sintetizados 3 ATP na fosfo-rilação oxidativa. Diante dessas reações, para que ocorra a síntese de uma molécula de uréia, há consumo de, apenas, uma ligação rica em energia.

Figura 6. Ciclo da uréia. As enzimas envolvidas são: (1) carbamoil-fosfato sin-tetase, (2) ornitina transcarbamoilase, (3) argininossuccinato sintetase, (4) argi-ninossuccinato liase e (5) arginase. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

Figura 7. Esquema geral da síntese de uréia. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

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65Quando a concentração plasmática da amônia se eleva (hiperamonemia), como na insuficiência hepática grave, ocorre en-cefalopatia. O mecanismo preciso da ence-falopatia ainda não é completamente com-preendido. Postula-se que altos níveis de amônia poderia levar a grande consumo de a-cetoglutarato para a síntese de glutamato, na reação catalisada pela glutamato desidro-genase. Haveria uma depleção de intermediá-rios do ciclo de Krebs com redução da veloci-dade de oxidação da glicose, a principal fonte de ATP para o cérebro.

Devido à toxidez da amônia, esta é incorpora-da em compostos não tóxicos, que atravessam a membrana, como a alanina e glutami-na, que são transportadas para o fíga-do. Neste órgão, a amônia é convertida em uréia.

VoCÊ sabia

• Que a conversão da maior parte de amônia em uréia é importante para manter baixas as concentrações desta no sangue e nos te-cidos.

PesQUise e resPoNda

1. Explique por que um aumento na quantidade de proteína ingerida re-flete um aumento da uréia eliminada.

1.3. deGradaÇão da Cadeia CarbÔNiCa dos aMiNoÁCidos

Após a remoção do grupo amino do aminoácido, resta a sua cadeia carbôni-ca sob a forma de a-cetoácido. As vinte cadeias carbônicas diferentes são cata-bolizadas até em um dos intermediários metabólicos: piruvato, acetil-CoA ou intermediários do ciclo de Krebs (oxalo-acetato, a-cetoglutarato, succinil-CoA e fumarato). A partir desse ponto, o me-tabolismo da cadeia carbônica dos ami-noácidos confunde-se com o das cadeias car-bônicas de carboidratos ou de ácidos graxos.

O destino final dos a-cetoácidos poderá ser: oxidação pelo ciclo de Krebs, utilização pela gliconeogênese e conversão a triacilgliceróis. Os aminoácidos podem ser divididos em dois grupos, tendo como base suas rotas metabó-licas (Figura 8):

A. Aminoácidos glicogênicos, pois são de-gradados a piruvato, oxaloacetato, a-cetoglutarato, succinil-CoA e fumarato, que são precursores da glicose.

B. Aminoácidos cetogênicos, pois são de-gradados a acetil-CoA ou acetoacetato e podem, então, ser convertidos em ácidos graxos ou em corpos cetônicos.

Figura 8. Degradação de aminoácidos a um dos sete intermediários metabólitos. As de-gradações glicogênicas e cetogênicas estão indicadas pelos blocos verdes e vermelhos, respectivamente. FONTE: Voet, Artmed, 2000.

Alguns aminoácidos são precursores tanto de carboidratos como de corpos cetônicos, ou seja, são glicocetogênicos.

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661.3.1. AMINOÁCIDOS QUE SÃO CONVERTIDOS EM PIRUVATO (figura 9): ALANINA, CISTEÍNA, GLICINA, SERINA, TREONINA e TRIPTOFANO.

A serina origina piruvato por desaminação, precedida de desidratação, catalisada pela se-rina desidratase, ou glicina, pela transferência do radical metileno (C1) ao FH4, numa reação catalisada pela serina hidroximetil transferase:

Figura 9. Esquema da degradação de aminoácidos.(FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

A alanina forma diretamente piruvato por tran-saminação com a-cetoglutarato, numa reação catalisada pela alanina transaminase.

A cisteína pode ser convertida em piruvato, por meio de vias nas quais o grupo sulfidrila é liberado como sulfato.

A glicina, além de formar serina, pode ser oxi-dada a CO2, NH4

+ e a um radical monocarbô-nico (C1) que é transferido para o tetrahidrofo-lato (Fh4). O tetrahidrofolato é uma coenzima, que transporta unidades monocarbônicas, e apresenta, em sua estrutura, o ácido fólico. A glicina pode, também, ser desaminada oxida-tivamente a glioxilato. (Figura 10)

Figura 10. Via de degradação e serina e glicina. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

Serina + Fh4 Metileno-FH4 + Glicina→→

A treonina, em uma das vias de degradação, tem o seu carbono a oxidado e a cadeia carbônica cindida, produzin-do glicina e acetaldeído; o acetaldeído gera acetil-CoA (Figura 11). Na outra via de degradação, ocorre remoção do grupo amino da treonina pela treonina desidratase, ori-ginando succinil-CoA.

Figura 11. Uma das vias de degradação da treonina. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

Na degradação do triptofano, três carbonos são transformados em alanina, um em forma-to e quatro, em acetoacetil-CoA

1.3.2. AMINOÁCIDOS QUE SÃO CONVERTIDOS A OXALOACETATO (figura 12): ASPARGINA E ASPARTATO.

Figura 12. Esquema de conversão de aminoácidos em oxaloacetato. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

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67A asparagina por hidrólise forma aspartato e Nh4

+. (Figura 13)

O aspartato é convertido em oxaloacetato, por ação da aspartato transaminase. (Figura 13)

1.3.4. AMINOÁCIDOS QUE SÃO CONVERTIDOS A SUCCINIL-CoA (fFigura 16): ISOLEUCINA, VALINA, METIONINA E TREONINA.

Figura 13. Conversão de asparagina a aspartato. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

1.3.3. AMINOÁCIDOS QUE SÃO CONVERTIDOS A FUMARATO (figura14): ASPARTATO, FENILALANINA E TIROSINA.

Figura 14. Esquema de conversão de aminoácidos em fumarato. FONTE: Mar-zzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

O aspartato é um dos substratos do ciclo da uréia, no qual é convertido a fumarato. (Figura 6)

A fenilalanina, em via única, produz tirosina por uma oxidação irreversí-vel, catalisada pela fenilalanina hidro-xilase (Figura 15).

A tirosina é, en-tão, catabolizada e, nesse processo, seus átomos de carbono aparecem como fumarato, acetoacetato e CO2. (Figura 15)

Figura 15. Via de degradação de fenilalanina e tirosina. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

Os aminoácidos que produzem succinil-CoA são inicialmente convertidos em propionil--CoA, também produto da oxidação de ácidos graxos com número ímpar de carbonos. A pro-pionil-CoA é convertida em succinil-CoA, por uma série de reações que requerem biotina e coenzima B12.

As acil-CoA derivadas de valina e isoleucina são oxidadas por rea-ções semelhantes às da β-oxidação, que conver-tem valina a propionil--CoA e isoleucina a pro-pionil-CoA e acetil-CoA (Figura 17). A figura ain-da mostra a degradação da leucina, que, assim como valina e isoleuci-na, é aminoácido rami-ficado, sem, no entanto, produzir succinil-CoA.

Figura 16. Esquema de conversão de aminoácidos em succinil-CoA. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

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PesQUise e resPoNda

1. Os aminoácidos ramificados (valina, leuci-na e isoleucina) têm grande importância quando o assunto é ganho de massa mus-cular. Por que estes são mais importantes do que os demais, quando se trata desse assunto?

A degradação de metionina é iniciada por sua reação com ATP, para formar S-adenosilmetio-nina, que atua como doador de radicais me-til para a síntese de compostos importantes, como a epinefrina. O átomo de enxofre é doa-do para a serina, formando cisteína. Ao longo da via, forma-se a-cetobutirato, que é oxidado a propionil-CoA, que, em seguida, é converti-da em succinil-CoA. (Figura 18)

A treonina é desaminada pela ação da treoni-na desidratase, produzindo a-cetobutirato, como a metionina. (Figura 18)

Figura 17. Via de degradação de aminoácidos ramificados. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

Figura 18. Via de degradação de metionina e treonina. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

1.3.5. AMINOÁCIDOS QUE SÃO CONVERTIDOS A a-CETOGLUTARATO (figura 19): GLUTAMATO, GLUTAMINA, PROLINA, ARGININA E HISTIDINA.

Figura 19. Conversão de aminoácidos a α-cetoglutarato via glutamato. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

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69Os aminoácidos originam a-cetoglutarato por prévia conversão a glutamato. (Figura 20)

O glutamato converte-se em a-cetoglutarato por transaminação ou por desaminação oxida-tiva catalisada pela glutamato desidrogenase.

A glutamina perde o grupo amino pela ação da glutaminase, formando glutamato.

Todos os átomos de carbono da prolina apare-cem como glutamato.

A arginina, quando hidrolisada pela arginase no ciclo da uréia, libera um dos seus carbonos

Figura 20. Reações que convertem arginina, prolina, histidina e glutamina a glutamato. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

Figura 21. Esquema geral da degradação de aminoácidos a acetil-CoA. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

que vai constituir a uréia, e os outros passam a constituir ornitina, que origina glutamato.

Cinco dos átomos de carbono da histidina pro-duzem glutamato, e um carbono é transferido ao tetraidrofolato.

1.3.6. AMINOÁCIDOS QUE SÃO CONVERTIDOS A ACETIL-CoA (figura 21): FENILALANINA, TIROSINA, TRIPTOFANO, LISINA, ISOLEUCINA, TREONINA E LEUCINA.

Alguns dos aminoácidos que produzem acetil--CoA – fenilalanina, tirosina, triptofano, isoleu-cina e treonina – produzem também compos-tos precursores de glicose. Assim, quatro dos átomos de carbono de fenilalanina e tirosina são convertidos em fumarato; três do tripto-

fano a alanina e três da isoleucina a propio-nil-CoA; a treonina, por uma via alternativa, converte-se em succinil-CoA.

O triptofano produz acetoacetil-CoA por uma via (Figura 22) que inclui três reações com o

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70oxigênio. Duas dessas reações são catalisadas por dioxigenases e uma, por monoxigenase (hidroxilase).

A lisina forma acetoacetil-CoA via 2-cetodipato, como o triptofano. A lisina possui um grupo ε-amino que não pode ser removido por transa-minação. A via de degradação pre-dominante em mamíferos inicia-se com ligação do grupo ε-amino a a-cetoglutarato, formando a saca-ropina. Esta é clivada, liberando glu-tamato e 2-aminoadipato, que, após transaminação, origina 2-cetodipato. (Figura 22)

A via de degradação da leucina (Figu-ra 17) tem passos iniciais comuns à dos outros aminoácidos ramificados, valina e isoleucina, mas os produtos fi-nais são exclusivamente acetoacetato e acetil-CoA. A acetil-CoA, formada a partir da leucina, é transformada, por reações que incluem carboxilação por biotina, em 3-hidroxi 3-metilglutaril--CoA. Este composto, que participa das vias de síntese de corpos cetôni-cos e de colesterol, é clivado a acetil--CoA e acetoacetato. Dessa forma, a leucina é o único aminoácido exclusi-vamente cetogênico.

2. sÍNtese de aMiNoÁCidosMuitos aminoácidos são sintetizados por vias metabólicas presentes so-mente em plantas e em microorga-nismos. Os mamíferos não sintetizam os aminoácidos denominados essen-ciais, devendo obtê-los através da dieta. Os aminoácidos não-essenciais podem ser sintetizados pelos mamí-feros. O organismo humano sintetiza onze dos vinte aminoácidos.

O glutamato é formado pela incorpo-ração de NH4

+ em a-cetoglutarato, catalisada pela glutamato desidroge-nase, utilizando NADPH. (Figura 23)

A glutamina é sintetizada a partir do glutamato e Nh4

+, pela glutamina sintetase. A incorporação de NH4

+ é Figura 22. Conversão de triptofano e lisina a acetoacetil-CoA. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

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71feita como um grupo amida e, portanto, este nitrogênio não pode participar de transamina-ções. (Figura 23)

podem ser convertidos em ornitina, e esta, a citrulina pelas reações do ciclo da uréia. Um mecanismo importante de síntese de arginina

envolve a cooperação entre rim e in-testino delgado. No rim, a arginina é sintetizada a partir da citrulina, pelas enzimas argininosuccinato sintetase e da argininosuccinato liase, e libe-rada na circulação. A citrulina pro-duzida principalmente no intestino, a partir de NH4

+, CO2 e ornitina por ação da carbamoil-fosfato sintetase e ornitina transcarbomoilase, análogas às enzimas hepáticas.

O esqueleto de carbono do aspartato provém do oxaloacetato, e o grupo amino, do glutamato, por transami-nação catalisada pela aspartato tran-saminase. (Figura 23)

A asparagina origina-se do asparta-to e glutamina, que fornece o grupo amida por ação da asparagina sinte-tase. (Figura 25)

Figura 23. Esquema da síntese dos onze aminoácidos não-essenciais para o organismo humano. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

Todos os átomos de carbono e do nitrogênio da prolina são provenientes do glutamato. Este aminoácido é convertido em um semi-aldeído por uma reação complexa, dependente de ATP. A eliminação de água produz um composto cíclico que, por redução, origina a prolina. (Figura 24)A arginina é sintetizada a partir

Figura 24. Síntese de prolina. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

da citrulina, pela ação consecuti-va da argininosuccinato sintetase e da argininosuccinato liase, que são enzimas do ciclo da uréia. No fígado, arginina gerada pode ser hidrolisada pela arginase. Toda-via, a produção líquida de argi-nina é possível a partir do gluta-mato e prolina (Figura 23), que

Figura 25. Síntese de asparagina. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

A serina origina-se do 3-fosfogli-cerato, um intermediário da via glicolítica, por meio de: redução, transaminação e hidrólise do grupo fosfato. (Figura 26)

Figura 26. Síntese de serina. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

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72A síntese de glicina ocorre pela ação da serina hidroximetil transferase. Esta reação, por ser reversível, também ocorre na degradação da serina. (Figura 10)

A cisteína deriva-se da serina por substituição do oxigênio da hidroxila da serina por enxo-fre, originado de metionina, um aminoácido essencial. Esta reação faz parte da via de de-gradação da metionina. (Figura 18)

A tirosina origina-se da hidroxilação da fenila-lanina. (Figura 27)

um átomo de nitrogênio do aspartato combi-nam-se com HCO3

- formando uréia. Os vinte aminoácidos-padrão são degradados a com-postos, como piruvato, a-cetoglutarato, suc-cinil-CoA, fumarato oxaloacetato e acetil-CoA, que dão origem à glicose, a corpos cetônicos ou a ácidos graxos.

Os aminoácidos não-essenciais são sintetiza-dos em rotas simples, a partir de piruvato, de oxaloacetato, de a-cetoglutarato e de 3-fos-foglicerato.

PesQUise e resPoNda

1. Explique por que a fixa-ção de nitrogênio é energetica-mente cara.

HiPerliNK

1. deGradaÇão iNtraCelUlar de ProteÍNas

Há dois processos principais para a degradação protéica em células eucarióticas. O primeiro é efetuado por proteases de lisossomos, as ca-tepsinas, que é utilizado principalmente para a degradação de proteínas de membranas, proteínas extracelulares e proteínas de meia--vida longa. O lisossomo mantém um pH in-terno de aproximadamente 5, e suas enzimas têm pHs ótimos ácidos. Isso protege a célula contra vazamentos acidentais dos lisossomos, uma vez que as enzimas dessa organela são bastante inativas em pHs citosólicos. Os lisos-somos degradam substâncias que são absorvi-das pela célula por endocitose. Em células bem nutridas, a degradação lisossomal de proteínas não é seletiva. No caso das células desnutri-das, essa degradação poderia exaurir os níveis de enzimas essenciais e de proteínas regulató-rias. Os lisossomos possuem, também, uma via seletiva, a qual é ativada somente após jejum prolongado que importa e degrada proteínas citosólicas, contendo o pentapeptídeo Lys-Phe--Glu-Arg-Gln ou uma seqüência semelhante.

Figura 27. Reação da fenilalanina hidroxilase. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

PesQUise e resPoNda

1. Vegetais cujos nódulos de raiz contêm bactérias simbiônticas fixadoras de nitro-gênio sintetizam uma proteína contendo hemo, chamada de leghemoglobina, que se parece com a mioglobina em sua estru-tura. Qual é a função desta proteína nos nódulos da raiz?

resUMoAs proteínas intracelulares são degradadas por proteínas lisossomais ou, após serem ubiquiti-nizadas, pela ação de proteosssomos.

O catabolismo de um aminoácido quase sem-pre se inicia com a remoção de seu grupo amino em uma reação de transaminação faci-litada por piridoxal-fosfato. No ciclo da uréia, um átomo de nitrogênio da amônia, origina-da da desaminação oxidativa de glutamato, e

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73Muitos processos normais e patológicos estão associados com a atividade lisossomal aumen-tada, por exemplo, o desgaste muscular cau-sado pela falta de uso, perda de enervação ou lesão traumática. Outro exemplo é a regressão do útero após o parto, que reduz sua massa de 2kg a 50g em nove dias. Muitas doenças inflamatórias crônicas, tais como artrite reu-matóide, envolvem a liberação extracelular de enzimas lisossomais, que digerem os tecidos circundantes.

O segundo processo, mais geral, ocorre no ci-tosol com a ação da proteína ubiquitina. Essa proteína está presente em todas as células eu-carióticas e é altamente conservada (é idêntica em organismos tão distintos como seres hu-manos, trutas e Drosophilas). O processo de degradação de uma proteína requer a sua liga-ção à ubiquitina em uma seqüência de reações com gasto de ATP.

A carboxila terminal da ubiquitina é unida por uma ligação semelhante à ligação peptídica, com o grupo ε-amino de um determinado re-síduo de lisina da proteína a ser degradada. Após esta ligação, outras moléculas se ligam à primeira, sempre com o mesmo tipo de liga-ção, porém, entre a carboxila terminal de uma molécula de ubiquitina e o grupo ε-amino de um determinado resíduo de lisina de outra molécula de ubiquitina. A proteína ubiquiti-nada interage com um grande complexo pro-teolítico, o proteossomo, capaz de catalisar a hidrólise de ligações peptídicas, envolvendo, praticamente, qualquer aminoácido. A própria ubiquitina resiste à hidrólise, podendo partici-par de outros ciclos proteolíticos. A seleção da proteína a ser degradada é obtida, em parte, a partir de sua estrutura primária, mais precisa-mente, do aminoácido presente na extremida-de amino-terminal. A meia-vida de uma prote-ína citoplasmática varia com a identidade dos seus resíduos N-terminais: proteínas com resí-duos N-terminais de Asp, Arg, Leu, Lys e Phe têm meias-vidas de 2 a 3 minutos, enquanto que aquelas com resíduos de Ala, Gly, Met, Ser e Val têm meias-vidas de mais de 10 horas em procariotos e mais de 20 horas em euca-riotos. Outros indicadores são necessários para reconhecimento das proteínas a serem hidro-lisadas. O mecanismo de proteínas alteradas é desconhecido. Sabe-se, apenas, que é muito

eficiente, pois a meia-vida da hemoglobina é 120 dias, enquanto que a meia-vida da hemo-globina falciforme (hemoglobina modificada) é de 12 minutos.

2. doeNÇas HereditÁrias do MetabolisMo dos aMiNoÁCidos

As doenças hereditárias, resultantes de defei-tos enzimáticos, são geralmente raras e trans-mitidas por genes autossômicos recessivos. Em indivíduos homozigotos, a atividade enzimáti-ca pode apresentar-se alterada (kM ou Vmáx mo-dificados) ou estar ausente; os heterozigotos não manifestam a doença, pois um alelo nor-mal determina síntese suficiente de enzima.

A deficiência enzimática ocasiona acúmulo de um metabólito nos fluidos corpóreos e a sua excreção na urina. A alteração da via metabó-lica que inclui a enzima afetada reflete sobre outras vias. Os efeitos da deficiência enzimáti-ca variam de acordo com a enzima defeituosa, podendo ser tão graves que inviabilizam o de-senvolvimento do feto; mais frequentemente provocam lesões a partir dos primeiros meses de vida, determinando retardo mental e físico e expectativa de vida reduzida. O diagnóstico precoce, logo após o nascimento ou ainda pré--natal, é uma forma de suprimir ou atenuar os efeitos da deficiência enzimática. A partir de 1990, muitas tentativas têm sido feitas para corrigir alguns defeitos genéticos por meio de terapia gênica.

O defeito mais freqüente de metabolismo dos aminoácidos é a fenilcetonúria, causada pela ausência da fenilalanina hidroxilase, ou mais raramente da diidropteridina redutase (Figura 27). A fenilalanina hidroxilase converte feni-lalanina em tirosina e utiliza tetraidrobiopte-rina como coenzima. O evento primário da doença é o acúmulo de fenilalanina, que é utilizada por vias pouco significativas em in-divíduos normais, como a transaminação com a-cetoglutarato, originando fenilpiruvato (Fi-gura 28). Um dos efeitos do fenilpiruvato é competir com o piruvato pela piruvato trans-locase, que promove a entrada de piruvato na mitocôndria, restrigindo a produção de ATP a partir de glicose, o único substrato oxidá-

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74vel para o cérebro. Grandes quantidades de fenilpiruvato e seus derivados são excretados na urina. O diagnóstico em recém-nascidos é feito através do “teste do pezinho”, no qual se determina a concentração de fenilalanina no sangue. Esta conduta é de vital importância, já que o tratamento da fenilcetonúria consis-te em administrar, precocemente, uma dieta contendo um mínimo de fenilalanina. Esses indivíduos podem passar a ingerir fenilalanina em torno dos sete anos de idade, quando não há risco de injúria do sistema nervoso central. Os indivíduos afetados apresentam, além de retardamento mental, pigmentação deficiente de pele e cabelo devido à síntese inadequada de melanina.

3. a oriGeM do NitroGÊNio dos aMiNoÁCidos

Os elementos químicos mais proeminentes nos sistemas vivos são O, H, C, N e P. Os elementos O, H e P ocorrem de modo mais freqüente, em formas metabolicamente disponíveis (H2O, O2 e Pi). Entretanto, as formas mais importantes de C e N, CO2 e N2 são muito estáveis, ou seja, não reativas. Por exemplo, a ligação tripla entre N e N tem uma energia de ligação de 945 kJ.mol-1, contra 351 kJ.mol-1 para uma ligação simples entre C e O. O CO2, com raras exceções, é me-tabolizado (fixado) somente por organismos fotossintéticos. A fixação do N2 é ainda menos comum; esse elemento é convertido em for-mas metabolicamente úteis por somente uns poucos gêneros de bactérias. As bactérias fi-xadoras de nitrogênio habitam diversos nichos ecológicos, como solo, oceano, rios; as do solo podem ser de vida livre (como os gêneros Azo-bacter e Beijerinckia) ou estarem associadas a plantas, pertencentes a todas as divisões taxo-nômicas das plantas terrestres. Localizam-se em diferentes partes da planta, como folhas, caules e raízes, estabelecendo sempre simbio-se. O modo de interação das bactérias que fi-xam nitrogênio é muito variável. Por exemplo, Azospirillum e diversos gêneros de cianobac-térias, como Anabaena e Nostoc, colonizam estruturas vegetais preexistentes, que sofrem pequenas modificações para abrigar a bactéria simbionte. Já as bactérias endofíticas ganham acesso ao sistema vascular e invadem diversos tecidos das plantas não-leguminosas, em geral, da família das gramíneas, como milho, arroz e gramas forrageiras. As bactérias da família Rhizobiaceae, ao invadirem as raízes de plantas leguminosas (feijão, soja, ervilha etc.), induzem a diferenciação de nódulos complexos, equiva-lente a um novo órgão do vegetal.

A redução de N2 a NH3 é realizada por um sis-tema enzimático complexo, denominado nitro-genase, que utiliza ferrodoxina reduzida como doador de elétrons e processa-se com grande consumo de ATP:

N2+ 8e- + 8H+ + 16ATP +16H2O → 2NH3 + 16(ADP + Pi) + H2

A fixação de nitrogênio por simbiose é mais efi-ciente que a obtida por bactérias de vida livre,

Figura 28. Formação de fenilpiruvato na fenilcetonúria. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

O albinismo clássico apresenta ausência da en-zima tirosinase, que é a enzima que inicia a síntese de melanina. Esta enzima contém co-bre e catalisa a oxidação de tirosina a 3,4-dii-droxifenilalanina (DOPA). DOPA também é pre-cursora de neurotransmissores e hormônios, como dopamina, norepinefrina e epinefrina; neste caso, porém uma outra enzima promove a conversão de tirosina a DOPA, a tirosina hi-droxilase, análoga à fenilalanina hidroxilase e que também utiliza tetraidrobiopterina.

Na doença da urina em xarope de bordo, a de-ficiência da enzima responsável pela descarbo-xilação oxidativa de aminoácidos ramificados (Figura 17) resulta em acúmulo desses amino-ácidos e seus cetoácidos, que conferem à urina um odor semelhante ao do xarope de bordo.

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75pois a planta fornece a energia necessária ao processo, por meio da oxidação de carboidratos produzidos por fotossíntese. A quantidade de amônia produzida excede as necessidades das leguminosas e é liberada no solo, contribuin-do para seu enriquecimento em nitrogênio. A simbiose Rhizobiaceae/leguminosas é o proces-so de fixação de nitrogênio mais eficiente. Por isso, utiliza-se a técnica de rotação de culturas, em que o cultivo de plantas não-leguminosas é alternado com o de leguminosas. O desen-volvimento de plantas não-leguminosas trans-gênicas capazes de fixar nitrogênio seria uma alternativa à rotação de culturas, que reduziria o alto custo com a utilização de fertilizantes (onde a fixação de nitrogênio utiliza proces-sos não biológicos, como descarga elétrica e radiação ultravioleta) e os danos que causam ao meio ambiente. Entretanto, além da trans-ferência de genes que codificam o complexo nitrogenase, é preciso criar condições para que a enzima funcione na planta geneticamen-te modificada. Por exemplo, a nitrogenase é inativada por oxigênio. Nas leguminosas, não ocorre esse problema, porque existe uma pro-teína nos nódulos de suas raízes, denominada leghemoglobina, que possui alta afinidade com o oxigênio. Essa proteína, assim como a hemoglobina, é constituída da globina, que é sintetizada pela planta e pelo grupo heme, que é sintetizado pela bactéria. A simbiose é essencial para a síntese desta proteína.

Parte da amônia presente no solo é convertida a nitritos e, principalmen-te, a nitratos, por bactérias dos gê-neros Nitrosomonas e Nitrobacter. As plantas não-leguminosas e a maioria das bactérias possuem enzimas ca-pazes de reduzir nitritos e nitratos a amônia, que pode ser utilizada na síntese de aminoácidos e de outros compostos nitrogenados (Figura 29a). A manutenção do equilíbrio entre os diferentes reservatórios de nitrogênio do planeta deve-se à ação das bactérias. Organismos mortos são decompostos, e seu nitrogênio gera amônia; esta é convertida a ni-tritos e nitratos, que podem ser re-convertidos a N2 atmosférico, fechan-do o ciclo do nitrogênio. (Figura 29b)

reFerÊNCiasMARZZOCO, A & TORRES, B.B. Bioquímica Bá-sica, 3ª ed, Rio e Janeiro: Guanabara Koogan, 2007.

VOET, D., VOET, J.G. & PRATT, C. W. Funda-mentos da Bioquímica, Porto Alegre: Artmed, 2000.

Figura 29. Caminho percorrido pelo nitrogênio, desde a atmosfera até os animais e vice-versa. FONTE: Marzzoco, Guanabara Koogan, 3ª ed., 2007.

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MetabolisMo de NUCleotÍdeos

obJetiVos esPeCÍFiCos

1. Diferenciar nucleosídeos de nucleotídeos.

2. Reconhecer as diferenças entre a molé-cula de DNA e de RNA.

3. Descrever as funções dos nucleotídeos.

4. Mencionar a origem dos aminoácidos das bases nitrogenadas purina e pirimidina.

5. Descrever, em linhas gerais, a síntese e a degradação dos nucleotídeos (sem citar nome de enzimas).

6. Enumerar algumas patologias relaciona-das ao metabolismo de nucleotídeos e seus respectivos tratamentos.

Palavras-chaves: purina/ piridina/ DNA/ RNA/ ácido úrico/ gota/ alopurinol/ ácido orótico/ PABA/ sulfonamida.

iNtrodUÇão

Os ribonucleosídeos e os desoxirribonucleo-sídeos fosfato (nucleotídeos) são essenciais a todas as células. Sem eles, nem o DNA nem o RNA poderiam ser produzidos e, assim, as proteínas não poderiam ser sintetizadas nem as células poderiam proliferar. Os nucleotí-deos também servem como transportado-res de intermediários ativados na síntese de alguns carboidratos, lipídeos e proteínas e

Profa. Maria Cristina Halla Carga Horária I 8 H

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78são componentes estruturais de uma série de coenzimas, como a coenzima A, FAD, NAD+

e NADP+. Os nucleotídeos também desempe-nham o papel como “moedas de energia” na célula. ATP e GTP são nucleotídeos. Neste ca-pítulo, estudaremos funções e vias metabóli-cas de síntese e degradação dos nucleotídeos. Estes últimos podem ser sintetizados a partir de várias substâncias, como ribose 5’-fosfato, alguns aminoácidos e CO2. Quando a síntese se inicia com uma base nitrogenada, a via é chamada de “rota de salvação”.

1. FUNÇÕes MetabÓliCas dos NUCleotÍdeosOs nucleotídeos e seus derivados de-sempenham diversas funções críticas no metabolismo celular. Muitos nucle-otídeos diferentes estão presentes nas células dos mamíferos.

São as seguintes as funções dos nu-cleotídeos:

• Moedas energéticas: na forma de química, o ATP e o GTP são gera-dos nas células. ATP doa energia necessária a uma série de proces-sos, como a contração muscular, o transporte ativo e a manutenção de gradientes iônicos. ATP tam-bém serve como doador de fosfato para a síntese de outros nucleotídeos.

• Unidades monoméricas dos ácidos nucléi-

cos (RNA e DNA). • Componentes de coenzimas. Coenzima A,

as coenzimas NAD+, NADP+, FAD e suas formas reduzidas.

• Intermediários ativados para a síntese de

carboidrato, lipídeos e proteínas. Por exem-plo, o UDP é importante ativador da glico-se para destiná-la à síntese de glicogênio.

• Compostos reguladores importantes para

o metabolismo, inibindo ou ativando enzi-mas-chaves.

2. estrUtUra dos NUCleotÍdeosOs nucleotídeos são compostos de uma base nitrogenada, um monossacarídeo e um, dois ou três grupos fosfato. As bases nitrogenadas pertencem a duas famílias de compostos: as purinas e as pirimidinas.

O DNA e o RNA contêm as mesmas bases pú-ricas: adenina (A) e guanina (G).

Ambos contêm a pirimidina citosina (C), mas diferem em sua segunda base pirimídica: o DNA contém timina (T), enquanto que o RNA contém uracil (U); T e U diferem apenas por um grupo metila presente em T, mas ausente em U. (fig. 1)

Algumas bases incomuns são ocasionalmente encontradas em algumas espécies de DNA e de RNA, por exemplo, em alguns DNAs virais e no RNA de transferência. As modificações de bases incluem, metilação, hidroximetilação, glicosilação e acetilação. A presença de uma base incomum em um trecho de nucleotídeos pode auxiliar em seu reconhecimento por enzi-mas específicas ou proteger aquela seqüência do ataque pelas nucleases, enzimas que de-gradam ácidos nucléicos.

PesQUise e resPoNda

1. Cite exemplos de nucleotídeos com as res-pectivas etapas do metabolismo que eles participam.

Figura 1. Purinas e pirimidinas comumente encontradas no DNA e no RNA.FONTE: http://fig.cox.miami.edu/-cmallery/150/chemistry/sf3x6.jpg.

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79NUCleosÍdeos

A adição de um açúcar pentose a uma base produz um nucleosídeo. Os ribonucleosídeos de A, G, C, T e U são denominados adenosina, guanosina, citidina, timidina e uridina, respec-tivamente.

Se o açúcar é uma ribose, um ribonucleosídeo é produzido; se o açúcar é uma desoxirribose, um desoxirribonucleosídeo é produzido. (Fig. 2 a)A remoção do grupo hidroxila da ribose gera desoxirribose.

Os átomos de carbono e de nitrogênio nos anéis da base e do açúcar são numerados se-paradamente (Fig. 2 b). Observe que os áto-mos das bases são numerados de 1 a 6 nas pi-rimidinas e de 1 a 9 nas purinas, enquanto que os carbonos na pentose são numerados de 1’ a 5’. Assim, quando você se referir ao carbono 5’ de um nucleosídeo (ou nucleotídeo), você está especificando um átomo de carbono na pentose, e não, um átomo na base.

5’-fosfato. O tipo de pentose é designado pelo prefixo no nome “5’-desoxirribonucletídeos”. Se um grupo fosfato está ligado ao carbono 5’ da pentose, a estrutura é um nucleosídeo monofosfato, como o AMP ou um CMP. Se um segundo ou terceiro fosfato é adicionado ao nucleosídeo, o resultado é um nucleosídeo di-fosfato (por exemplo, ADP) ou trifosfato (por exemplo, ATP). A Figura 5 mostra os nucle-osídeos e os grupos fosfato. Observe que os grupos fosfato são responsáveis pelas cargas negativas associadas aos nucleotídeos e aos ácidos nucléicos.

Figura 2 Estrutura dos nucleotídeos. (a) pentoses encontradas nos ácidos nucléicos. (b) sistema de numeração das pirimidinas e purinas. FONTE: www.mun.ca.

NUCleotÍdeos

Os nucleotídeos são ésteres mono, di e trifosfa-to dos nucleosídeos (fig. 3). O grupo fosfato é unido por uma ligação éster 5’-OH da pentose. Este composto é denominado um nucleosídeo

Figura 3. Nucleotídeos mono, di e trifosfato. FONTE:www.bact.wisc.edu.

3. sÍNtese de NUCleotÍdeos PÚriCosAs bases nitrogenadas encontradas nos nucle-otídeos podem ser sintetizadas por duas vias: a síntese de novo ou serem obtidas através de rotas de salvação. Estas últimas permitem a reutilização de bases pré-formadas, resultantes do metabolismo normal da célula ou da dieta.

Os átomos do anel de purina são originados de vários compostos, incluindo aminoácidos (ácido aspártico, glicina e glutamina), CO2 e derivados do tetraidrofolato (Fig. 4) através de uma série de reações que adicionam os carbo-nos e nitrogênios doados a uma ribose 5-fos-fato pré-formada.

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A síntese de purinas ocorre, inicialmente, com a ribose 5-fosfato e o ATP, para formar o fosforribosilfosfato (PRPP), catalisada pela pirofosfocinase PRPP sintetase (Fig.5). O PRPP também participa na síntese de pirimidinas e nas reações de salvação de bases púricas e pi-rimídicas.

Em seguida, o PRPP reage com a glutamina, por ação da glutamina: fosforribosil pirofos-fato amidotransferase, para formar o 5’-fos-forribosilamina. Esta é a etapa reguladora na biossíntese das purinas.

As nove etapas seguintes na biossíntese de nucleotídeos púricos levam àsíntese de inosina 5’-monofosfato (IMP).

Uma vez formado, o IMP se converte em AMP ou GMP, através de reações adicionais, que re-querem energia.

iNibidores da sÍNtese das PUriNas

Alguns inibidores da síntese das purinas são específicos para inibir o crescimento de micro-organismos em divisão rápida. Por exemplo, as sulfonamidas, que são análogos estruturais do ácido para-aminobenzóico – o PABA (fig. 6).

Figura 4 Fontes dos átomos individuais no anel de purina. FONTE: Adaptado de: web.virginia.edu/heidi/capter27/chp27.html.

Figura 5. Síntese das purinas (a) até a inosina 5’-monofosfato; conversão de IMP em AMP e GMP.

O PABA é componente da vitamina hi-drossolúvel ácido fólico. O ácido fólico é sintetizado por vegetais e microor-ganismos. As bactérias necessitam do ácido fólico para sobreviver. As sulfo-namidas inibem competitivamente a síntese bacteriana do ácido fólico, re-tardando o crescimento das bactérias. Por essa razão, o PABA é usado para o tratamento de algumas infecções bac-terianas.

Os análogos estruturais do ácido fóli-co (por exemplo, o metotrexato) são usados farmacologicamente para con-trolar a disseminação do câncer, por interferirem com a síntese de DNA e de RNA.

Uma vez que os inibidores usados para retardar o crescimento das células can-cerosas também afetam a replicação de células normais, eles podem causar anemia, descamação cutânea, distúr-bios gastrintestinais e alopécia devido

Figura 6. Estrutura da sulfonamida, PABA e ácido fólico. FONTE: Adaptado de: www.med.unibs.it/~marchesi/pwrisyn2.gif.

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81à sua toxicidade em medula óssea, pele, trato gastrintestinal e os folículos pilosos, respectivamente.

Por fim, os nucleosídeos monofosfatos ga-nham, sucessivamente, dois radicais fosfa-to do ATP para formar os nucleosídeos di e trifosfatos. O ATP é a fonte de fosfato para essas bases, porque está presente em con-centrações maiores que os outros nucleosí-deos trifosfatos.

AMP + 2 ATP 2 ATP

GMP + 2 ATP GTP + ADP

Várias doenças hereditárias podem surgir em decorrência da deficiência de enzimas respon-sáveis pelo catabolismo de purinas. Mas uma especialmente interessante, devido à sua inci-dência, é a gota.

A gota, uma forma de artrite aguda, se carac-teriza por uma produção excessiva de ácido úrico, provocando o seu acúmulo no sangue (hiperuricemia). Indivíduos que sofrem de hi-peruricemia da gota são tratados com alopuri-nol, um análogo da hipoxantina. A droga atua como inibidor específico da xantina-oxidade, a enzima que converte xantina é ácido úrico. O ácido úrico em excesso se deposita na forma de cristais nas articulações, devido à sua pouca so-lubilidade em água, provocando fortes dores.

A terapia para a gota é realizada de duas formas:

• Nutricional, que consiste em dimi-nuir a ingesta de alimentos que con-tenham purinas, tais como glândulas, café e chá escuro;

• Medicamentosa, pelo

tratamento via oral com alopurinol, um análogo químico do ácido úrico. O alopu-rinol é um inbidor da xantina oxidase, a en-

4. rota de salVaÇão das PUriNasAs purinas que resultam do metabolismo nor-mal dos ácidos nucléicos celulares podem ser convertidas em nucleosídeos trifosfatos e usa-das pelo corpo. Esse processo é denominado uma “rota de salvação” para as purinas. Uma das enzimas que participam dessa rota é a hipoxantina-guanina fosforribosil transferase (HGPRT). A deficiência dessa enzima causa um distúrbio hereditário chamado de síndrome de Lesch-Nyhan.

5. deGradaÇão dos NUCletÍdeos PÚriCos

Os nucletídeos púricos são seqüencialmente degradados pela remoção ou pela alteração de porções do nucleotídeo (fig. 7). O produto final do metabolismo das purinas nos seres hu-manos é o ácido úrico. Os mamíferos, exceto os primatas, oxidam o ácido úrico.

Inicialmente, um grupo amino é removido do AMP para produzir IMP, inosina e hipoxana-tina. Reações semelhantes acontecem com o GMP para produzir guanosina e guanina. Em seguida, a hipoxantina e a guanina são con-vertidas em xantina e, finalmente, ácido úrico. No homem, o ácido úrico é excretado na urina.

Figura 7. Catabolismo das purinas. O urato (ou ácido úrico) é o produto final. FONTE: www.medscape.com/content/2004/00/47/26/472684/art_cmro472684.fig1.gif.

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82zima que converte xantina em ácido úrico. A xantina acumulada no tratamento com alopurinol é muito mais solúvel do que o ácido úrico, evitando, assim, os efeitos in-desejáveis da gota.

6. sÍNtese das PiriMidiNasAo contrário da síntese do anel de purina, em que o anel é construído sobre a ribose-fosfato pré-existente, o anel de pirimidina é sintetiza-do antes de ser ligado à ribose 5’-fosfato, a qual é doada pelo PRPP. As fontes de carbono e de nitrogênio no anel de pirimidina são glu-tamina, CO2 e aspartato (fig. 8)

Figura 9. Síntese de pirimidinas.

rizam por um crescimento anormal, anemia megaloblástica e excreção de grandes quanti-dades de orotato na urina. Esta patologia é tra-tada com dieta rica em uridina, o que melhora a anemia e diminui a excreção de orotato.

Figura 8. Fontes dos átomos de carbono e nitrogênio no anel de pirimidina. FONTE: Adaptado de: web.virginia.edu/heidi/capter27/chp27.htm.

PesQUise e resPoNda

1. Para que ocorra a síntese dos nucleotíde-os é necessário que as fontes alimentares contenha nucleotídeos?

A via metabólica de síntese de pirimidinas é mostrada na fig. 9. A enzima reguladora dessa síntese é a carbamoil fosfato sintetase II, que é diferente da cabamoil fosfato sintetase I, do ciclo da uréia. Perceba que PRPP é comum às duas vias, ao passo que a síntese de purina requer glutamato, enquanto a síntese de pi-rimidina requer aspartato como precursores essenciais.

Uma das patologias associadas a defeito em uma enzima da síntese de pirimidinas é a aci-dúria orótica. A enzima catalisa a formação do intermediário orotato. As doenças se caracte-

7. rota de salVaÇão das PiriMidiNas

As pirimidinas também podem ser sintetiza-das a partir de nucleotídeos da dieta. Essa via metabólica também é chamada de “rota de salvação”.

8. deGradaÇão das PiriMidiNas

Ao contrário dos anéis de purina, os quais não são clivados nas células humanas, o anel de pirimidina pode ser aberto e degradado em es-truturas altamente solúveis, que podem servir como precursores de acetil-CoA e succinil-CoA, respectivamente. Alternativamente, as pirimi-dinas podem ser resgatadas e convertidas em nucleotídeos e destinadas às reações de salva-ção das purinas, que utilizam PRPP como fonte de ribose 5-fosfato.

A conversão de dUMP (desoxiuridina fosfato) em dTMP (desoxitimidina fosfato), por ação da timidilato sintetase, usa o tetraidrofolato como fonte de grupo metila. (Fig. 10b)

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Figura 10. Catabolismo de pirimidinas. (a) conversão de UMP e CMP; (b) de dUTP em dTMP. FONTE: web.virginia.edu/heidi/capter27/chp27.htm.

Os inibidores da timidilato sintetase são análo-gos à timidina, como o 5-fluorouracil (fig. 11), que serve como um agente tumoral eficiente. Além disso, essa enzima é inibida por drogas, como o metotrexato, que impede a regenera-ção do tetraidrofolato. O efeito desse trata-mento é que menos bases timidinas estarão disponíveis para a síntese de DNA, resultando em retardo no crescimento celular. Devido à sua capacidade de retardar a replicação de DNA pela redução da disponi-bilidade de p recu r so re s nucleotídeos, estas drogas são usadas para diminuir a velocidade de crescimen-to de células tumorais.

VoCÊ sabia • Que alguns análogos de nucleotídeos são utiliza-

dos pela clínica médica para tratar alguns tumores através da quimioterapia? E que as sulfas combatem algumas infecções bacterianas, por inibirem uma enzima importante na síntese de ácido fólico das bactérias?

resUMo Os nucleotídeos desempenham várias funções no organismo. São componentes estruturais dos ácidos nucléicos, essenciais à manutenção e divisão celular.

O DNA e o RNA diferem entre si nas funções e na composição química: o DNA tem desoxirribose, enquanto que o RNA tem a ribose como ose; as bases pirimídicas do DNA são adenina e timina, ao passo que as do RNA são adenina e uracil.

A síntese das bases nitrogenadas através de duas rotas metabólicas: a de novo e a de salva-ção. Nesta última, bases pré-formadas durante o metabolismo normal da célula e a partir da dieta são convertidas em nucleotídeos.

Algumas patologias são resultantes do catabo-lismo excessivo de nucleotídeos, como a gota. Nesta patologia, o ácido úrico é produzido em excesso, provocando deposição de cristais de urato nas articulações.

Em outras patologias, enzimas envolvidas na síntese de nucleotídeos são inibidas por drogas e, dessa forma, são utilizadas no tratamento de algumas doenças, como infecções bacteria-nas e câncer.

reFerÊNCiasChampe, P.C. and Harvey, R.A. Bioquímica ilus-trada, 3ª ed, Porto Alegre: Artmed, 2006.

Lehninger, A.L., Nelson, D.L. e Cox, M.M. Prin-cípios de bioquímica, São Paulo: Sarvier, 1995.

Campbell, Mary K. Bioquímica, Porto Alegre: 3ª ed, Artmed, 2000.

http://www.unicamp.br/fea/lsfm/cursos/ta918_8.html

Figura 11. A estrutura de alguns nucleotíde-os modificados com flúor.

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iNteGraÇão e reGUlaÇão do MetabolisMo

obJetiVos esPeCÍFiCos

• Avaliar a importância da integração meta-bólica com relação ao uso da energia;

• Citar as principais formas de regulação metabólica;

• Descrever as reservas metabólicas dos mús-culos, tecido adiposo e cérebro;

• Citar os combustíveis que podem ser utili-zados pelo músculo esquelético, músculo cardíaco, cérebro e hemácias;

• Descrever o metabolismo nos principais ór-gãos, durante o período absortivo;

• Identificar o metabolismo no período pós-absortivo;

• Relacionar o metabolismo nos principais órgãos durante o jejum.

Palavras-chaves: integração metabólica, meta-bolismo, inter-relação metabólica, regulação metabólica.

iNtrodUÇão

Os processos metabólicos devem ser coor-denados para evitar, por exemplo, que rotas opostas ocorram simultaneamente. Isto facilita o organismo humano a se adaptar a situações de abundância e escassez de nutrientes. Essa adaptação às oscilações de concentrações de nutrientes é um exemplo de como os seres vi-vos ajustam seu metabolismo a diferentes con-

Profa. Maria Cristina Halla Carga Horária I 6 H

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86dições. Além disso, as atividades metabó-licas do organismo devem seguir às ordens determinadas pelo programa genético de crescimento e reprodução. A coordena-ção, captação e utilização de energia são processos muito mais complexos nos or-ganismos multicelulares, pois nestes, deve haver cooperação entre as células. Nos animais e nas plantas, esse processo é sim-plificado pela divisão das tarefas metabóli-cas entre os diferentes tecidos.

Uma das formas de regulação é através de mecanismos que modificam a atividade enzimática, tais como regulação alostéri-ca, modificação covalente e mecanismos que alteram a concentração enzimática, como alteração da expressão gênica e in-tervenção hormonal. A integração meta-bólica acontece em nível celular, em que ocorrem os mecanismos reguladores intra-celulares e o nível do organismo como um todo, coordenado pela ação hormonal.

1. esPeCialiZaÇão dos ÓrGãosCada tecido e órgão do corpo humano pos-sui uma função especializada que é refletida na sua anatomia e na atividade metabólica. O músculo esquelético usa a energia metabóli-ca para produzir movimento, o tecido adiposo armazena e libera gorduras que são utilizadas como combustíveis, o cérebro bombeia íons para produzir sinais elétricos. O fígado tem uma função central no metabolismo, proces-sando, distribuindo e fornecendo uma mistura de nutrientes para todos os outros órgãos e tecidos através da corrente sangüínea.

As principais vias metabólicas (Figura 1) con-vergem para acetil-CoA e piruvato. A acetil--CoA é o produto de degradação da glicose, dos ácidos graxos e dos aminoácidos cetogê-nicos. O piruvato é produto da glicólise e da degradação dos aminoácidos glicogênicos. Somente poucos tecidos, como o fígado, reali-zam todas as reações da Figura 1. O curso por qualquer via de reações depende da presença das enzimas apropriadas e das necessidades do organismo pelos produtos das reações.

Os metabólitos transitam entre o cérebro, o músculo, o tecido adiposo e o fígado por vias bem definidas, nas quais o fluxo varia de acor-do com o estado nutricional do animal.

1.1. o CÉrebro

O cérebro possui uma taxa respiratória muito alta. Utiliza cerca de 20% do total de oxigênio consumido por um indivíduo adulto em repou-so. O uso de oxigênio é uma taxa bem cons-tante e não se altera significantemente durante o pensamento ativo ou o sono. Em condições normais, a glicose é o combustível principal do cérebro. Não há reservas significativas de energia no cérebro, por isso ele depende da contínua chegada de glicose. Diminuição da glicose sangüínea abaixo de um nível crítico, mesmo por um curto período de tempo, pode levar alterações graves e, às vezes, irreversíveis na função cerebral.

Durante o jejum prolongado, a glicose é gra-dualmente substituída por corpos cetônicos.

1.2. os MÚsCUlos

Os principais combustíveis para o músculo são os ácidos graxos, a glicose e os corpos cetôni-cos. No músculo em repouso, os combustíveis principais são os ácidos graxos do tecido adi-

Figura 1. As principais vias do metabolismo energético nos mamíferos. FONTE: Voet, Artmed, 2000.

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87poso e os corpos cetônicos do fígado. Mús-culos moderadamente ativos usam a glicose sangüínea além dos ácidos graxos e corpos cetônicos. Já em músculos excessivamente ativos, a demanda para o ATP é tão grande que o fluxo sanguíneo não consegue fornecer oxigênio e combustível suficientes para produ-zir o ATP necessário, apenas, pela respiração aeróbica. Dessa forma, o glicogênio muscular armazenado é degradado anaerobicamente até lactato.

O músculo estoca glicogênio e triacilgliceróis como fonte de energia. Os triacilgliceróis são uma forma mais eficiente de estoque de ener-gia, no entanto o esforço metabólico de sin-tetizar glicogênio é mais rentável, porque a glicose, ao contrário dos ácidos graxos, pode ser metabolizada anaerobicamente. O múscu-lo não consegue exportar glicose porque não possui a enzima que desfosforila a glicose-6--fosfato, a glicose-6-fosfatase. Consequente-mente o glicogênio muscular é completamente utilizado como fonte de energia pelo músculo através da via glicolítica.

A quantidade de ATP disponível no músculo esquelético é capaz de sustentar por apenas 1-2 segundos a contração intensa. Um reser-vatório adicional de fosfocreatina, maior que o de ATP, é capaz de suprir anaerobicamente o músculo de ATP por mais alguns segundos.

VoCÊ sabia

• Que a fosfocreatina é produzida nos períodos de re-pouso, por fosforilação da creatina à custa de ATP, catalisada pela creatina quinase?

O próximo suprimento de energia é a glico-se, proveniente da circulação e do glicogênio muscular. A via glicolítica é inicialmente ana-eróbica, pois a reserva muscular de oxigênio associado à mioglobina é pequena, e a oferta de oxigênio pela circulação não aumenta de forma imediata e proporcional à demanda muscular de ATP. Quando um músculo passa do repouso para o exercício intenso, o aporte de oxigênio aumenta 25 vezes mais, enquanto que a quantidade de ATP hidrolisado chega a 120 vezes maior. A degradação anaeróbia de glicose constitui uma alternativa imediata para a hipoxia relativa no início de um esforço ex-

tenuante, mas não pode continuar indefinida-mente, sendo capaz de sustentar exercícios in-tensos com duração de 1-2 minutos. À medida que os sistemas respiratórios e circulatórios são ativados, e o suprimento de oxigênio cresce, a glicólise anaeróbica começa a ser substituída pela glicólise aeróbica. Ao mesmo tempo, o fornecimento de ácidos graxos para o músculo aumenta, em resposta da epinefrina sobre o tecido adiposo.

VoCÊ sabia

• Que nenhum outro tecido apresenta variações tão grandes e abruptas no gasto de ATP?

O coração é um órgão muscular que atua con-tinuamente e não, intermitentemente. Possui grande quantidade de mitocôndrias, e seu metabolismo depende da glicólise aeróbica. Além da glicose, corpos cetônicos e ácidos graxos são metabolizados pelo coração. Assim como o músculo esquelético, o músculo car-díaco não armazena lipídeos e glicogênio em grandes quantidades. Pequenas quantidades de fosfocreatina são armazenadas no músculo cardíaco.

1.3. o teCido adiPoso

O tecido adiposo estoca e libera ácidos gra-xos, quando necessário. Um homem normal de 70 kg contém cerca de 15 kg de gordura

armazenadas no tecido adiposo. Em caso de necessidade metabólica, os triacilgliceróis são hidrolisados a ácidos graxos, e a glicerol nos adipócitos, através da ação da lipase hormônio sensível.

VoCÊ sabia

• Que esta quantidade corresponde a 141.000 calo-rias, energia suficiente para manter a vida por, apro-ximadamente, 3 meses.

1.4. HeMÁCias

As hemácias, cuja principal função é o trans-porte de oxigênio, teriam sua função extre-mamente prejudicada, caso, ao transportar o oxigênio por longos trajetos, como o fazem, se consumissem este.

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PesQUise e resPoNda

1. Relacione a obesidade com o hormônio peptídico leptina.

Portanto, o metabolismo da hemácia é pre-dominantemente anaeróbico. Sem o sistema mitocondrial para a oxidação dos demais nu-trientes, as hemácias tornam-se dependentes da via glicolítica anaeróbica. O consumo de glicose nestas células ocorre de modo constan-te e independente do perfil nutricional. Nestas células, a via glicolítica culmina na produção constante de lactato, o qual será captado pelo fígado. O lactato produzido pelas hemácias é convertido em glicose pela gliconeogênese he-pática (ciclo glicose-lactato ou ciclo de Cori) e é uma das fontes de manutenção da glicemia em jejum. (Figura 2)

alimentar. Processa o excesso de grupos amino em uréia. Participa do processo de desintoxica-ção de compostos orgânicos estranhos, como drogas, aditivos alimentares, preservativos e outras substâncias perigosas e sem valor nu-tricional. A desintoxicação geralmente envol-ve a hidroxilação, dependente do citocromo P-450, de compostos relativamente insolúveis, tornando-os suficientemente solúveis para se-rem degradados e excretados.

Uma das principais funções do fígado é a de manter a glicemia através da captação e libe-ração de glicose em resposta a hormônios e à própria concentração de glicose.

PesQUise e resPoNda

1. Faça uma tabela em que você irá relacionar os órgãos, como cérebro, músculo esque-lético, tecido adiposo, fígado e músculo cardíaco com seus respectivos e possíveis combustíveis e suas reservas energéticas.

2. MetabolisMo do PerÍodo absortiVoO período absortivo ou pós-prandial é aquele que se segue à tomada de refeições. Logo após uma refeição, a maior parte dos carboidratos, aminoácidos e uma pequena parte dos triacil-gliceróis advindos da dieta são diretamente le-vados ao fígado (Figura 2).

A maior parte dos triacilgliceróis advindos da dieta, no entanto, percorre um caminho di-ferente: migram pelo sistema linfático, caem na circulação sistêmica, podendo ser metabo-lizados pelo fígado ou captados pelo tecido adiposo. Neste período, ocorrem processos de biossíntese, a partir dos nutrientes absorvidos, para recompor as reservas energéticas que fo-ram utilizadas durante o jejum precedente.

Após a refeição, o fígado utiliza uma fração de glicose para conversão em glicogênio. A outra fração é destinada à circulação, provocando aumento da glicemia, o que ocasiona a libe-ração de insulina e diminuição do glucagon

FIGURA 2. Disposição de glicose, aminoácidos e lipídeos por vários tecidos no estado bem alimentado. FONTE: DEVLIN, Edgard Blucher, 2003.

1.5. o FÍGado

O fígado é o centro dos processos metabólicos do organismo. Ele mantém, em níveis adequa-dos, os combustíveis e precursores circulantes para serem utilizados pelos outros tecidos, atenuando as flutuações do metabolismo cau-sadas pela natureza intermitente da ingestão

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89pelo pâncreas. A insulina sinaliza aos tecidos que a glicemia está acima do que é necessário, resultando na captação do excesso de glico-se no sangue pelas células e na sua conver-são em compostos de armazenamento, como glicogênio e triacilgliceróis. A insulina ativa a glicogênio sintase (fica na forma desfosforila-da) e inativa a glicogênio fosforilase. Assim, o tecido muscular converte a glicose captada em glicogênio, cujo estoque é limitado. O grande aporte de glicose e a conseqüente formação de glicose-6-fosfato contribuem para inibição da degradação do glicogênio, pois ambos os açúcares inibem a glicogênio fosforilase a.

No período absortivo, a gliconeogênese é inibida por insulina. A insulina suprime a ex-pressão dos genes das enzimas-chave da gli-coneogênese, a fosfoenolpiruvato carboxiqui-nase e a glicose 6-fosfatase. A via glicolítica ocorre em grande velocidade, pois tem suas enzimas reguladoras além da glicoquinase na forma ativa. A grande quantidade de piruva-to formado e a presença de insulina ativam o complexo piruvato desidrogenase (ver Figura 2 do Capítulo 3 de Bioquímica II). O aumento da atividade das três enzimas-chaves – fosfo-frutoquinase 1, piruvato quinase e piruvato desidrogenase – determina grande produção de acetil-CoA a partir de glicose. A piruvato carboxilase é ativada pela acetil-CoA, fazen-do com que parte do piruvato seja convertida em oxaloacetato (ver Figura 3 do Capítulo 2 de Bioquímica II). Os esqueletos de carbono de vários aminoácidos vêm aumentar a concen-tração dos intermediários do ciclo de Krebs, capazes de se transformar em oxaloacetato. Esse aumento da concentração de acetil-CoA e oxaloacetato faz acelerar o ciclo de Krebs e, Consequentemente, aumentar a concentração de NADH e FADH2. A alta concentração destas duas coenzimas ativa a cadeia transportadora de elétrons e a fosforilação oxidativa, levando à grande produção de ATP. Este processo ocor-re até quando a concentração de ADP permitir, pois a síntese de ATP necessita de ADP.

A elevada concentração de NADH no interior da mitocôndria inibe o ciclo de Krebs (por efei-to alostérico das enzimas isocitrato desidro-genase e a α-cetoglutarato desidrogenase). Assim se acumula citrato mitocondrial, que é transportado para o citosol, onde, por ação da

citrato liase e acetil-CoA carboxilase, é conver-tido em malonil-CoA, o precursor dos ácidos graxos.

A síntese dos ácidos graxos utiliza NADPH como poder redutor, o que ocasiona a diminui-ção da razão NADPH/NADP+ citoplasmática. A queda da razão NADPH/NADP+ e o aumento de insulina ativam a via da pentose fosfato (onde se metaboliza glicose-6-fosfato e entre outros, produz-se NADPH). A glicose-6-fosfato então é direcionada à via da pentose fosfato, pois a via glicolítica está bloqueada em respos-ta às altas concentrações de ATP.

Quando a razão ATP/ADP começa a diminuir, em virtude do consumo de ATP, nos processos biossintéticos, principalmente, a glicólise é rea-tivada, sendo, então, formado piruvato, acetil--CoA, oxaloacetato, coenzimas reduzidas no ciclo de Krebs e ATP na fosforilação oxidativa. Isso acontece até que ocorra novamente au-mento na concentração de ATP e citrato, que irão inibir a glicólise. As duas vias se alternam e permitem a síntese de ácidos graxos e NADPH a partir da glicose.

A insulina favorece a síntese protéica a partir da entrada de aminoácidos nos tecidos. Ape-nas os aminoácidos excedentes serão oxidados e transformados em intermediários do ciclo de Krebs.

Os produtos que são sintetizados no fígado, com exceção do glicogênio, são destinados à exportação.

Como os seres humanos, habitualmente, ali-mentam-se três vezes ao dia, e a absorção dos nutrientes ingeridos leva de 5 a 6 horas, o es-tado absortivo ou pós-prandial vigora a maior parte do dia.

3. MetabolisMo do PerÍodo PÓs-absortiVoA intensa remoção da glicose circulante pelos tecidos, no período absortivo, reduz a glice-mia até atingir o valor basal (cerca de 4,4 mM), cerca de 4 horas após uma refeição.

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90À medida que a glicemia se aproxima do va-lor basal começa a ser liberado o glucagon e ocorre a predominância deste sobre a insulina. Inicia-se o período denominado pós-absortivo, durante o qual a glicemia será mantida, princi-palmente, pela degradação do glicogênio he-pático e com contribuição da gliconeogênese. Este período dura cerca de 12 horas, incluin-do, portanto o jejum noturno.

A diminuição da razão insulina/glucagon leva à predominância do metabolismo degradativo.

O consumo de glicose passa a ser possível, apenas, pelos tecidos insulino-independentes, como cérebro, hemácias e medula renal. A captação de glicose pelos tecidos que depen-dem de insulina, como músculos e tecido adi-poso, é reduzida, ocorrendo, assim, economia de glicose.

No fígado, inicia-se a degradação do glicogê-nio devido à ativação da glicogênio fosforilase.

Os níveis elevados de glucagon desfavorecem a via glicolítica, por reprimir a síntese da gli-coquinase, fosfofrutoquinase I e piruvato quinase. A via da pentose fosfato também está reprimida devido à inibição das enzi-mas desidrogenages pelo NADPH. A relação citosólica NADPH/NADP+ eleva-se, porque a síntese de ácidos graxos está restringida pela escassez de substratos e por inativação da acetil-CoA carboxilase e da citrato liase.

A reserva de glicogênio hepático é insufi-ciente para manter a glicemia. A glicone-ogenese é uma importante via responsável pela manutenção da glicemia (Figura 3). Vários mecanismos ativam a gliconeogene-se nos hepatócitos. A acetil-CoA derivada da degradação de ácidos graxos age de for-ma que inibe a oxidação de piruvato pela piruvato desidrogenase e estimula a car-boxilação de piruvato a oxaloacetato, que origina glicose na gliconeogênese. À medi-da que aumenta a duração do jejum, a gli-coneogênese torna-se mais intensa devido ao aumento da concentração das enzimas: piruvato carboxilase, fosfoenolpiruvato car-boxiquinase e glicose-6-fosfatase, induzido por glucagon e cortisol. A gliconeogenese re-nal também está ativada.

Ocorre também a estimulação da lipase do te-cido adiposo, que promove a degradação dos triacilgliceróis armazenados, elevando, assim, os níveis de ácidos graxos no sangue. Os ácidos graxos são importantes para a manutenção de tecidos como músculos esquelético e cardíaco, fígado e tecido adiposo. A combustão de áci-dos graxos no fígado gera ATP para manter a gliconeogênese e outros processos hepáticos. Dessa forma, não há oxidação de glicose e de aminoácidos no tecido hepático.

As altas razões acetil-CoA/CoA e NADH/NAD+ mitocondriais, resultantes da oxidação dos áci-dos graxos, estimulam a inibição do complexo piruvato desidrogenase. No músculo, isso leva ao bloqueio glicólise aeróbica a partir do glico-gênio armazenado e favorece a oxidação dos ácidos graxos. O piruvato muscular, impossi-bilitado de formar acetil-CoA, pode originar oxaloacetato para sustentar a degradação de acetil-CoA (proveniente dos ácidos graxos) no ciclo de Krebs.

FIGURA 3. Inter-relações metabólicas dos principais tecidos no período pós--absortivo inicial. FONTE: DEVLIN, Edgard Blucher, 2003.

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4. JeJUMNo jejum, o glucagon atua praticamente sem o antagonismo da insulina e auxiliado pelo cortisol, adaptando o organismo à falta de in-gestão de alimentos.

Além de 12 horas de jejum, a gliconeogênese torna-se mais importante que a glicogenólise na manutenção da glicemia. Após 24 horas de jejum, o glicogênio hepático encontra-se qua-se esgotado, e a gliconeogênese é a única via capaz de manter a glicemia.

O principal substrato para a gliconeogênese são os aminoácidos, provenientes da degrada-ção das proteínas dos músculos esqueléticos (Figura 4), através do chamado ciclo da alani-na- glicose. A degradação das proteínas dos músculos esqueléticos é estimulada pelo cor-tisol, sendo a síntese destas prejudicada pelos baixos níveis de insulina. A maioria dos amino-ácidos é metabolizado, originando intermedi-ários capazes de serem convertidos à alanina e glutamina. A alanina é formada a partir do pi-ruvato, que se origina da glicose, e a glutami-na que é formada a partir de a-cetoglutarato, originado de vários aminoácidos do músculo. O bloqueio da piruvato desidrogenase impede a oxidação de piruvato a acetil-CoA, preser-vando o piruvato para a conversão em alanina.

A alanina e a glutamina produzidas são libe-radas na circulação. A alanina é captada pelo fígado, onde o seu a-cetoácido, o piruvato, forma glicose, e o grupo amino forma uréia. Muito da glutamina liberada pelo músculo é convertida em alanina pelo epitélio intestinal (Figura 5). A glutamina também é utilizada pelo rim como substrato pela gliconeogênese, em que seu esqueleto carbonado gera glicose, e o nitrogênio é convertido em NH4

+, que é excretado na urina, contribuindo para o equi-líbrio ácido-base.

Figura 4. Ciclo da alanina-glicose. FONTE: Lehninger, 1995.

FIGURA 5. Inter-relações metabólicas dos principais tecidos no período pós--absortivo final e de jejum. FONTE: DEVLIN, Edgard Blucher, 2003.

A elevada degradação de ácidos graxos, mobi-lizados das reservas lipídicas, não acompanha-da da degradação proporcional de carboidra-tos, leva ao acúmulo de acetil-CoA no fígado. A deficiência de oxaloacetato, que é removido pela gliconeogênese, diminui a oxidação de acetil-CoA pelo ciclo de Krebs. Desta forma, a acetil-CoA condensa-se, formando os corpos cetônicos. Os corpos cetônicos são utilizados por tecidos que não estão engajados na glico-neogênese, portanto que dispõem de oxaloa-cetato para oxidar a acetil-CoA proveniente dos ácidos graxos e corpos cetônicos. Esse proces-so economiza glicose, que passa a ser pratica-mente utilizada pelo cérebro e pelas hemácias.

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92Se o jejum prolongar-se por algumas semanas, esses processos são intensificados. A maior parte da reserva que pode gerar energia está sob a forma de triacilgliceróis, que tem, na sua composição, ácidos graxos e glicerol. Os ácidos graxos não originam glicose, e o glice-rol (são necessárias duas moléculas de glicerol para formar, apenas, uma de glicose) contribui com uma pequena parcela na síntese de gli-cose através da gliconeogênese. Os aminoáci-dos contribuem, efetivamente, para a síntese de glicose. Um indivíduo adulto tem, na sua massa muscular, cerca de 6 kg de proteína e não pode perder mais de 50% deste total sem risco de morte. É necessário cerca de 200g de proteína para produzir os 120g diários de gli-cose consumidos pelo cérebro, o conteúdo de glicose proveria glicose por duas semanas. No entanto, indivíduos saudáveis chegam a sobre-viver 1 a 2 meses de jejum. O cérebro se adap-ta a essa situação, oxidando, além de glicose, corpos cetônicos. Isto acarreta, após 2 a 3 dias de jejum, a redução da intensidade da glicone-ogênese e, também, da mobilização protéica.

A grande produção de corpos cetônicos ul-trapassa muito a sua captação pelos tecidos--extrahepáticos. Como eles possuem caráter ácido, o poder tamponante do plasma é sobre-pujado e instala-se uma acidose, a cetoacidose.

PesQUise e resPoNda

1. Imagine uma situação no período absor-tivo em que ocorre uma queda brusca de glicose abaixo do valor basal (Como, por exemplo, administração além do necessá-rio de insulina). Haveria algum combustível já pronto para ser utilizado, de imediato, pelo cérebro nesta situação? O que pode-ria acontecer com o indivíduo neste caso?

resUMoA coordenação das diversas vias metabólicas do organismo é acompanhada de sinais hor-monais que circulam no sangue.

O fígado tem o papel central na distribuição e no processamento de nutrientes. O cérebro

utiliza a glicose como seu principal combustível metabólico. Os músculos podem oxidar uma variedade de combustíveis. O tecido adiposo armazena o excesso de nutrientes na forma de triacilgliceróis e mobiliza-os, quando necessá-rio. As hemácias dependem, exclusivamente, de glicose como combustível.

Durante o período absortivo, ocorrem pro-cessos anabólicos, enquanto que, no período pós-absortivo, iniciam-se os processos catabó-licos, que são acentuados durante o jejum. A concentração de glicose no sangue é hormo-nalmente regulada.

HiPerliNK

1. Cortisol (FONTE: Wikipédia)

Cortisol é um hormônio corticosteróide produ-zido pela glândula supra-renal, que está en-volvido na resposta ao estresse. Ele aumenta a pressão arterial e o açúcar do sangue, além de suprimir o sistema imune. A forma sintética, chamada de hidrocortisona, é uma medica-ção, principalmente, utilizada para o combate a alergias e inflamações.

Estrutura química do cortisol

A quantidade de cortisol presente no sangue sofre variação nas várias fases do dia (ritmo circadiano), com os níveis mais altos pela ma-nhã e os níveis mais baixos à noite, várias ho-ras após o início do sono. Informações sobre o ciclo luz/escuridão são transmitidas da retina para os núcleos supraquiasmáticos no hipo-tálamo. Mudanças no padrão de secreção de

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93cortisol foram observadas associadas a níveis anormais de ACTH, depressão, stress psicoló-gico em situações de stress fisiológico, como hipoglicemia, febre, trauma, cirurgias, medo, dor, exercícios físicos e temperaturas extremas. O padrão de secreção varia de indivíduo para indivíduo, mas tende a se manter constante para o mesmo indivíduo.

O cortisol também inibe a secreção do CRH, resultando em feedback negativo da secreção do ACTH. Alguns investigadores acreditam que este feedback normal possa ser prejudi-cado, quando os animais são expostos a stress crônico.

Com a libertação normal, o cortisol tem diver-sas ações, que buscam restaurar a homeosta-se, o equilíbrio interno do organismo após o stress. Age como um antagonista fisológico da insulina, por promover a quebra das mo-léculas de carbohidratos, lipídeos e proteínas, desta maneira mobilizando as reservas ener-géticas. Isto aumenta a glicemia e a produção de glicogênio pelo fígado. Também aumenta a pressão arterial. Adicionalmente, as células inflamatórias e as do sistema imune têm suas ações atenuadas, levando a uma diminuição da atividade do sistema imune como um todo. A osteogênese, formação óssea, também é di-minuída pelo Cortisol.

Essas funções endógenas são a base das con-seqüências fisiológias do stress crônico. A se-creção crônica de cortisol causa perda mus-cular e hiperglicemia, além de suprimir as respostas inflamatórias e imunes. As mesmas conseqüências advêm do uso de drogas glico-corticóides por longo prazo.

Além disso, a exposição de longo prazo ao cortisol resulta na danificação das células do hipocampo. Este dano leva à diminuição da capacidade de aprendizagem. Entretanto, a exposição de curto prazo ao cortisol ajuda no processo de se criarem memórias.

A maior parte do cortisol sérico, menos cer-ca de 4%, está ligada a proteínas, incluindo a transcortina ou globulina ligante de cortisol (CBG) e a albumina. Para muitos receptores, apenas o cortisol livre pode ativá-los.

reFerÊNCiasMARZZOCO, A & TORRES, B.B. Bioquímica Bá-sica, 3ª ed, Rio e Janeiro: Guanabara Koogan, 2007.

VOET, D., VOET, J.G. & PRATT, C. W. Funda-mentos da Bioquímica, Porto Alegre: Artmed, 2000.

DEVLIN, T. M. Manual de bioquímica com cor-relações clínicas. Trad. 5ª ed. São Paulo: Ed-gard Blucher, 2003.