Prof. Didier SalmonMSc Cristiane S. Lessa

METABOLISMO ENERGÉTICO

Dezembro 2015

Bioquímica para Enfermagem

14/12/15

Estudo quantitativo das transformações de energia (reações químicas) que ocorrem nas células vivas, bem

como da natureza e função dos processos químicos nelas envolvidos

São principalmente responsáveis pela síntese e degradação de nutrientes, processo fundamental para o

crescimento e desenvolvimento celular

Manutenção da vida

Metabolismo Energético

Manutenção da vida

Uma célula eucariótica possui a capacidade de sintetizar mais de 30,000 proteínas diferentes

Estas catalisam milhares de reações diferentes envolvendo centenas de metabólitos, que partilham mais de uma via metabólica

Metabolismo Carboidratos

Metabolismo EnergéticoProdução de energia química em forma de ATP e NADH (NADPH e

FADH2)

Utilização de energia contida nos alimentos para realizar a síntese de

macromoléculas e aproveitar em ‘trabalho’

Síntese de moléculas complexas: fotossíntese (fase escura), gliconeogênese, síntese de

carboidratos,..

Formas de utilização da energia obtida: contração muscular,

manutenção de um gradiente eletroquímico, etc.

Quais são os objetivos?

A célula de qualquer organismo vivo constitui um sistema estável de reações químicas mantidas afastadas do equilíbrio.

A célula permanece fora do equilíbrio a custa da energia retirada do meio ambiente.

Assim, as células sintetizando macromoléculas complexas a partir de precursores simples, produzem e mantem uma ordem aparentemente contrária a Segunda lei da termodinâmica 

TermodinâmicaQuais são as leis da termodinâmica?

Primeira Lei: princípio da conservação de energia

“Para qualquer transformação física ou química, a quantidade total de energia no universo permanece constante, a energia pode mudar de forma ou ser transportada de uma região para outra; entretanto, ela não pode ser criada ou destruída.”

Segunda Lei: tendência do universo à desordem crescente

“Em todos os processos naturais, a entropia do universo aumenta.”

Entro

pia

EntalpiaEntropia = energia

Entalpia = grau de desordem

Sistema tende a ir para um aumento da desorganização

Bioenergética

O que é Bioenergética?

Estudo quantitativo das transformações de energia que ocorrem em sistemas vivos, assim como a natureza e função dos processos químicos envolvidos.

Transdução de Sinal

Fototróficos Quimiotróficos

Qual a fonte da nossa energia?

Adenosina Trifosfato

Adenosina Trifosfato - ATP

Nucleotídeo trifosfatado+

Açúcar (ribose)+

Base nitrogenada purínica Adenina

Gasto de energia = gasto de ATP

ATP perde um fosfato durante o gasto energético –

ADP (adenina difosfato)

Moeda energética

Hidrólise de ATP

Energia livre de ativação de Gibbs

Energia livre de ativação de Gibbs: razão entre o estado de energia livre na

etapa intermediária e o substrato

Energia livre de Gibbs

G – energia livre de GibbsH – entalpiaS - entropia

Equilíbrio:

aA + bB cC + dD

Variação da energia livre da fosfocreatina

= armazenamento de energia

A reação para síntese do ATP é desfavorável, ∆G = +30,5

A hidrólise da fosfocreatina libera mais energia, ∆G = -43,0

O acoplamento das reações, hidrólise da fosfocreatina + síntese de ATP torna a última reação favorável.

Rotas Metabólicas

Rotas MetabólicasSão reações em conjunto com a finalidade de produzir ou degradar determinado produto

Ex. glicólise

Existem dois tipos de rotas:

catabólicas (onde há degradação, ou “quebra” de compostos);

anabólicas (formação de compostos – síntese).

As vias catabólicas são acompanhadas por liberação de energia livre, enquanto o anabolismo requer energia para ser realizado.

Rotas Metabólicas

Catabolismo – Simplificação de moléculas a compostos comuns

Produtos finais

Produtos finais do catabolismo são utilizados

Anabolismo – Síntese de biomoléculas

Moléculas dos alimentos (carboidratos, gorduras) CO2 +H2O + energia útil

Energia útil + precursores simples Moléculas complexas

Algumas vias são cíclicas, ou seja, um precursor da via é regenerado por meio de uma série de reações

Convergente

Divergente

Irreversibilidade Direcionamento Economia dos intermediários Regulação

Características das Rotas Metabólicas

Características das Rotas Metabólicas

A1

BC

2

Ciclo fútil

A=B?

DG’°<0

Irreversibilidade Direcionamento Economia dos intermediários Regulação

A

1

BC

2

DG’°<0

Irreversibilidade Direcionamento Economia dos intermediários Regulação

Características das Rotas Metabólicas

A

1

BC

2

DG’°<0

Irreversibilidade Direcionamento Economia dos intermediários Regulação

Características das Rotas Metabólicas

A gliconeogênese utiliza desvios em cada uma dessas três reações, consumindo ATP sem realizar nenhum trabalho

ATP + Frutose-6-fosfato ADP + Frutose-1,6-bifosfato

ATP +H2O ADP +Pi + CALOR

Frutose-1,6-bifosfato +H2O Frutose-6-fosfato +Pi

PFK1

FBPase1

Várias etapas existem para oxidar a glicose, mas somente uma faz sentido nas transformações químicas necessárias à célula.

Irreversibilidade Direcionamento Economia dos intermediários Regulação

Características das Rotas Metabólicas

Intermediários que participam de forma reversível nas reações de oxido-redução como transportadores de elétrons.

NAD+ NADH

FAD FADH2

Irreversibilidade Direcionamento Economia dos intermediários Regulação

Reações de óxido-redução:

Agente redutor: molécula doadora de elétrons

Agente oxidante: molécula receptora de elétronsC6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O

NAD+ NADHFAD FADH2

Os nucleotídeos NAD+, NADP+, FMN e FAD são coenzimas hidrossolúveis que sofrem oxidações e reduções reversíveis em muitas das reações metabólicas de transferência de elétrons.

Características das Rotas Metabólicas

Coenzimas como transportadores de elétrons• Reações de oxidação-redução:

Agente redutor: molécula doadora de elétronsAgente oxidante: molécula receptora de elétrons

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O

NAD+/FAD NADH/FADH2

• Os nucleotídeos NAD+, NADP+, FMN e FAD são coenzimas hidrossolúveis que

sofrem oxidações e reduções reversíveis em muitas das reações metabólicas de transferência de elétrons.

NADH

FADH2

Outro transportador intermediário ATP !

Cineticamente estável e termodinacamente instável

Energia Acoplada

Reação exergônica = reação espontânea

Reação endergônica = reação enzimática

∆G’° para oxidação completa da glicose em CO2 + H20 ~ 686 kcal/mol (2840 kJ/mol)∆G’° de hidrolíse de ATP ~7,3 kcal/mol (30,5 kJ/mol)Acoplamento das reações permite a síntese de várias moléculas de ATP

Compostos de alta energia

DG’º hidrólise < -25 kJ/mol

Hidrólise do fosfoenolpiruvato (PEP)

Hidrólise do 1,3-difosfoglicerato

Compostos fosforilados tem energia suficiente para sintetizar o ATP potencialpara transferir o grupo fosfato

Características das rotas

Irreversibilidade Direcionamento Economia dos intermediários Regulação

Limitado pelo substrato (reação em equilíbrio).

Limitado pela enzima (reação exergônica) – passo limitante da via.

Enzimas específicas (pelo menos uma) para catalisar apenas anabolismo ou catabolismo

As 3 etapas da respiração celular