Universidade Federal de Uberlândia Instituto de Genética e Bioquímica
Disciplina de Bioquímica – Curso de Ciências Biológicas
Metabolismo energético Fermentações e Respiração Celular
Glicólise
Prof. Monica Soares Costa
A segunda lei da termodinâmica = entropia do universo aumenta durante todos os processos químicos e físicos, embora o aumento da entropia não ocorra necessariamente no próprio sistema reagente.
Energia livre - Definição: Expressa a quantidade de energia capaz de realizar trabalho em uma temperatura e pressão constante
Sentido de uma reação química Reações espontâneas = os produtos têm menos energia livre que os reagentes = libera
energia disponível para realizar trabalho: ΔG = (-) Reação exergônica
Reações não espontâneas = os produtos têm mais energia livre que os reagentes = consome
energia disponível para realizar trabalho: ΔG = (+) Reação endergônica
//
Acoplamento de reações As variações de energia livre padrão são aditivas
A transferência de grupos fosforil é um evento central no metabolismo. Igualmente importante é a
transferência de elétrons em reações de óxido-redução.
CARREADORES INTERMEDIÁRIOS
NAD+ FAD
Síntese de ATP esta acoplada ao fluxo de elétrons
Carreadores de elétrons nas células Estrutura do NAD+ e NADH
Glicólise: Degradação da glicose;
Gliconeogênese: Formação da glicose;
Glicogenólise: Degradação do glicogênio
Glicogênese: Formação do glicogênio;
Porque a glicose precisa ser armazenada na
forma de Glicogênio????
Ela influenciaria no pressão osmótica, podendo
levar a uma osmolridade muito alta, situação
incompatível com a vida.
1 – Conceito:
1 glicose 2 moléculas de piruvato
(6 carbonos) (3 carbonos)
A glicólise ou Via glicolítica compreende uma série de reações catalisadas por
enzimas, as quais acarretam na liberação de moléculas de PIRUVATO a partir
de uma molécula de GLICOSE.
A glicose é imprescindível para algumas células como as
hemácias e o tecido nervoso.
ATP e NADH
2 – Importância:
2.1 – Fisiológica: Geração de energia
Conservação da energia – derivados
Formação de macromoléculas
2.2 – Patológica: Degenerativa
3 – Local: Citosol
4 – Origens: ALIMENTOS...
GLICOGENÓLISE... GLICONEOGÊNESE...
4 – Origens:
5- Especializações
5.1 – Glicólise Aeróbica = Utilização de O2;
Ocorre na mitocôndria;
5.2 – Glicólise Anaeróbica = Ocorre na ausência de oxigênio;
Células que não possuam mitocôndria;
Quando não há oxigenação suficiente para atender a demanda energética;
- Muitos tecidos, incluindo as células sanguíneas vermelhas
e brancas, a medula renal, os tecidos do olho e os músculos
esqueléticos , dependem da glicólise anaeróbica para pelo
menos uma porção suas necessidades de ATP.
5- Especializações
A falta de mitocôndria, ou a velocidade da glicólise aumentada, em
geral está relacionada com algum aspecto da função celular.
• Por exemplo:
• Eritrócitos maduros não têm mitocôndrias, pois o metabolismo
oxidativo pode interferir na sua função de transporte de oxigênio
ligado à Hb.
•Um pouco de ácido láctico produzido na pele é secretado no suor,
onde atua como um agente antimicrobiano
•Muitos tumores grandes utilizam a glicólise anaeróbica para a
produção de ATP devido à falta de capilares que nutrem a sua
estrutura.
5.2 – Glicólise Anaeróbica
A via glicolítica
6 – Fatores Nutricionais:
Glicose
Oxigênio
Pi
Mg2+
Ácido pantotênico (Vit B5) – Coenzima A
Niacina (Vit B3)
Riboflavina (Vit B2)
Tiamina (Vit B1)
“Deficiência em qualquer um desses fatores nutricionais podem comprometer a glicolise,
consequentemente a produção de energia terá que acontecer por outra via”.
E os tecidos que são dependentes dele para obter essa energia??
6 – Fatores Nutricionais:
7 – Visão Geral da Glicólise:
A glicólise apresenta uma sequência de 10 passos e pode ser divida em 2 fases:
• Fase preparatória: 5 primeiros passos;
• Fase de pagamento: 5 passos restantes;
FASE PREPARATÓRIA FASE DE PAGAMENTO
Nesta fase 2 moléculas de
ATP precisam ser investidas
para ativar a molécula de
glicose para sua quebra em 2
partes com 3 carbonos.
Nesta fase 4 moléculas de
ATP são produzidas. Assim
o produto líquido são 2
moléculas de ATP, uma vez
que 2 moléculas de ATP
foram investidas na fase
anterior.
Gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase
Fosfogliceratoquinase
Fosfogliceratomutase
Enolsase
Piruvato quinase
Equeçao geral - Glicose + 2NAD+ 2ADP + 2Pi → 2Piruvato + 2NADH + 2H + 4ATP+ 2H2O Saldo – 2ATP + 2NADH + 2H + 2piruvatos
G’
-16,0
+1,7
-14,2
-22,8, +7,5 +6,3 -18,5
+4,4
+7,5
-31,4
G°´ das reações que ocorrem na glicólise
Acoplamento de reações
Oxidação total da glicose
(Via aeróbia) = 2.870kJ/mol
Oxidação total da glicose na
via glicolítica = 200 kJ/mol
PONTOS DE REGULAÇÃO DA VIA GLICOLÍTICA
-Hexoquinase Glicose-6-P (produto)
-Fosfofrutoquinase I AMP e ADP ATP e Citrato
-Piruvato quinase ATP
10 – Glicólise Anaeróbica
10.1 – Fermentação Láctica
Local: Citosol
Reação:
Piruvato Lactato
10 – Glicólise Anaeróbica
10.2 – Fermentação Etanólica
Local: Citosol
Reação:
piruvato Acetaldeido Etanol
Piruvato
Descarboxilase
Alcool
desidrogenase
A importância da regeneração do NAD+
11 – Glicólise Aeróbica
Local: Mitocôndria
m.m.e m.m.i
ESTUDO DIRIGIDO
1) Quais são os pontos de regulação da Via glicolítica? Quais estruturas são
capazes de inibir estes pontos de regulação?
2) Quais fatores nutricionais podem influenciar na Via glicolítica? Cite e
explique de que forma eles podem influenciar na via glicolítica (pelo menos
3 fatores).
3) A deficiência de niacina (Vit B3) causa a pelagra, uma doença caracterizada
por dermatite, diarréia e demência (3D) que pode levar a morte. Cite um das
coenzimas derivadas da niacina e a reação dependente dela.
4) Cite 2 compostos de alta energia que estão presentes na via glicolítica e
explique sua importância.
5) Esquematize a Via Glicolítica (intermediários com os nomes apenas das
enzimas irreversíveis. Esquematizar também ATP, e NADH
“A síntese e a degradação de vários
materiais biológicos dependem do
fluxo me moléculas e de energia
através do ciclo do ácido cítrico. Este
ciclo pode ser comparado a uma
roda d’água.”
Lyle leduc/Gamma Liaison
Glicólise Aeróbica = Se existe O2 disponível o piruvato segue por esta via....
Local: Mitocôndria
m.m.e m.m.i
Para a maioria das células eucarióticas e muitas
bactérias, vivendo em condições aeróbicas
e oxidando seus componentes a CO2 e H2O,
a glicólise é apenas o primeiro estágio para
a oxidação completa da glicose.
Essa fase aeróbica do catabolismo é chamada
de RESPIRAÇÃO CELULAR.
Respiração celular
Estágio 1: Produção de Acetil-CoA
Estágio 2: A oxidação do Acetil-CoA
Estágio 3: Transferência de elétrons e fosforilação
oxidativa.
A respiração celular é um termo empregado em um
sentido microscópio, referindo-se aos processos
moleculares que envolvem o consumo de CO2 e a
formação de CO2 pelas células, daí o nome de respiração
CELULAR.
Ela pode ser dividida em 3 estágios:
Complexo multienzimático: Piruvato desidrogenase
Complexo de 3 enzimas 5 grupos prostéticos
Complexo da Piruvato desidrogenase
Complexo da Piruvato desidrogenase
O ciclo do ácido cítrico é constituído de oito reações sucessivas. À medida que o acetil-CoA é oxidado para liberar CO2 , a energia oriunda dessa oxidação é conservada na forma de coenzimas reduzidas NADH e FADH2
O oxaloacetato é regenerado a cada volta do ciclo. Portanto, uma molécula de oxaloacetato é capaz de participar da oxidação de muitas moléculas de acetil-CoA
PRODUTOS
REGULAÇÃO DO CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO. O ciclo é regulado na altura de seus 3 passo exergônicos.
O segundo e o terceiro estagio da respiração celular ocorre na mitocôndria.
Mas nós vimos que há produção de energia no citoplasma da célula, na forma
de ATP e NADH + H
Como esse NADH é transportador para dentro da mitocôndria??
LANÇADEIRA MALATO – ASPARTATO. ( FÍGADO, RINS E CORAÇÃO)
Aspartato transaminase citosólica
Aspartato transaminase mitocondrial
Malato desidrogenase citosólica
Malato desidrogenase mitocondrial
LANÇADEIRA DO GLICEROL – FOSFATO. ESTE SISTEMA PREDOMINA NOS MÚSCULOS ESQUELÉTICOS E NO CÉREBRO.
A fosforilaçao oxidativa é o estágio final do
metabolismo produtor de energia nos
organismos aeróbios.
Ela ocorre na mitocôndria e envolve a
redução de O2 e H2O, com os elétrons
doados pelos carreadores.
O fluxo de elétrons é altamente exergônico e
o fluxo de elétrons promove uma força
eletromotriz a qual direciona a síntese de ATP.
Qual a função do Transporte de Elétrons no Metabolismo
• A energia derivada da oxidação dos combustíveis metabólicos é, em última análise, convertida em ATP.
• A energia liberada pela oxidação de nutrientes (Energia temporariamente transportada NADH e FADH2) é usada pelos organismos na forma de energia química do ATP.
• A produção do ATP na mitocôndria é o resultado da fosforilação oxidativa, na qual o ADP é fosforilado para formar ATP.
• As moléculas de NADH e FADH2, geradas no catabolismo transferem elétrons para o oxigênio numa série de reações conhecidas coletivamente como cadeia transportadora de elétrons.
• O oxigênio, o aceptor de elétrons final, é reduzido a água.
• Células vivas possuem um circuito biológico, no qual utiliza um composto reduzido como fonte de elétrons para gerar energia.
Ex: A glicose é oxidada enzimaticamente por uma série de reações enzimáticas e os elétrons
liberados fluem espontaneamente por meio de carreadores intermediários, até uma outra espécie
química como O2
Esse fluxo de elétrons é exergônico porque o O2 possui maior afinidade por elétrons do que os
carreadores intermediários de elétrons
O fluxo de elétrons promove uma força eletromotriz a qual direciona a síntese de ATP, o qual será
utilizado para a realização de trabalho biológico.
Hipótese quimiosmótica De acordo com o modelo proposto por Mitchel a energia eletroquímica
inerente da diferença na concentração de prótons e da separação de cargas
através da membrana mitocondrial interna a “força próton motriz” dirige a
síntese de ATP, a medida que prótons fluem passivamente de volta para a
matriz através de um poro de prótons associado à ATP sintase.
O gradiente de próton (diferença de cargas entre o espaço inter-
membranar e a matriz) gera uma alteração conformacional na proteína
ATPsintase a qual produzir o ATP
A cadeia transportadora de elétrons
possui uma série de transportadores
como Ubiquinona, Citocromo e Proteína
Ferro-Enxofre, os quais ficam inseridos
dentro das membrana mitocondrial;
A oxidação do NADH e FADH2 é
promovida pela cadeia transportadora
de elétrons, uma série de complexos
proteicos contendo centros redox com
afinidade progressiva por elétrons. São
eles: Complexo I, II, III e IV.
1) Ubiquinona ou Coenzima Q – Ela
tem capacidade de receber 2 elétrons.
Se encontra nas formas:
- Ubiquinna: Forma oxidada;
- Semiquinona: Recebeu 1 átomo de H+
- Ubiquinol: Forma reduzida (recebeu 2
átomos de H+).
2) Citocromo: Ele é capaz de carregar
apenas 1 elétron por vez.
3) Proteínas Ferro-enxofre: Capaz de
carregar 2 elétrons.
Citocromo
Proteína Ferro-enxofre
Esquema geral de “fosforilação oxidativa” pela cadeia repiratória (Fosforilação de ADP, oxidação de NADH e FADH2 )
A transferência de elétrons e a síntese de ATP são obrigatoriamente acopladas, nenhuma
reação ocorre sem a outra;
A força próton motriz sozinha é suficiente para gerar ATP;
À medida que os íons H+ fluem do espaço intermembranas para o lado da matriz mitocondrial, via subunidade Fo da ATPsintase, o cilindro e a haste rodam e as subunidades β de F1 mudam de conformação à medida que a subunidade se associa a cada uma delas.
TERMOGENINA
É um desacoplador biológico da fosforilação
oxidativa;
Presente no tecido adiposo marrom = proteção para
recém nascido;
A oxidação de combustíveis ao invés de gerar energia
gera calor;
A termogenina consegue fornecer um caminho
alternativo para os prótons retornarem á matriz SEM
passar pelo complexo F0 F1 da enzima ATPsintase.
DNP
É um desacoplador químico da fosforilação oxidativa;
São formados por ácidos fracos e possuem portanto alta
capacidade de protonar e desprotonar de acordo com o pH do
meio.
Conseguem modificar o gradiente de prótons SEM passar pelo
canal F0 da enzima ATPase, gerando como consequencia
CALOR;
São capazes de se associar em um dos complexos da
enzima ATP ase e então INIBIR o consumo e a
produção de ATP;
Inibidores Complexo
Barbitúricos
(hipnóticos)
I
Rotenona
(inseticida)
I
Malonato
(inibidor da succinato desidrogenase
II
Antimicina A
(antibiótico)
III
CN-, CO, Azida IV
oligomicina ATP sintase
DESACOPLADOR INIBIDORDOR
Ocorre o consumo
de O2 e não
produção de ATP
O consumo de O2 e
a produção de ATP
são inibidos
Considerando que o valor de consenso para os íons H+ bombeados para o
espaço intermembranas é 10 para o NADH e 6 para o FADH2, e que 4 íons H+devem entrar no complexo ATPsintase para sintetizar 1 ATP, a razão é 2,5 para o NADH e 1,5 para o FADH2.
Processo Produto direto
Glicólise 2NADH (citosólico) X 2,5
2ATP
5 ATP
2 ATP
Oxidações do piruvato (1 glicose gera 2 piruvatos)
2NADH X 2,5 5 ATP
Oxidação do acetil CoA no ciclo do ác cítrico (2 piruvatos geram 2 Acetil-CoA)
6NADH X 2,5
2FADH2 X 1,5
2GTP ou 2ATP
15 ATP
3 ATP
2 ATP
Produção total por glicose 32 ATP
OBS: SERÃO 32 ATPS SE A LANÇADEIRA MALATO-ASPARTATO FOR UTILIZADA.
CASO A LANÇADEIRA GLICEROL-3-FOSFATO FOR UTILIZADA SERÃO 30 ATPS
1) Quantas moléculas de NADH, FADH2 e GTP/ATP são formadas a partir da oxidação da
glicose a CO2? E quantas dessas moléculas são formadas por meio da oxidação de 1
molécula de Acetil-CoA?
2) De que modo a produção de ATP a partir da oxidação completa de uma molécula de glicose
nos músculos e no cérebro se diferencia daquelas obtidas no fígado, no rim e no coração?
3) Como a proteína termogenina, presente em altas quantidades no tecido adiposo marrom em
recém-nascido, contribui para manutenção da temperatura corporal?
4) Qual a diferença fundamental entre desacopladores e inibidores respiratórios?
5) Qual a relação que existe entre a teoria quimiosmótica com a produção de ATP?