METABOLISMO METABOLISMO ENERGÉTICO ENERGÉTICO

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METABOLISMO METABOLISMO ENERGÉTICO ENERGÉTICO

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Prof. Milton Félix Nunes MartinsProf. Milton Félix Nunes Martins

Aminoácidos e proteínas

• As proteínas são compostas por aminoácidos dispostos numa cadeia linear e ligados entre si por ligações peptídicas. Muitas proteínas são as enzimas que catalisam as reacções químicas no metabolismo. Outras proteínas têm funções estruturais ou mecânicas, como o sistema de armação celular usado para manter a forma da célula, o citoesqueleto.

• As proteínas desempenham também papéis importantes na sinalização celular, resposta imunitária, adesão celular, transporte activo através de membranas e no ciclo celular.

Lípidos

• Os lípidos são o grupo mais diversificado de compostos bioquímicos. Constituem grande parte das membranas biológicas, tais como a membrana celular; além desta função estrutural, também servem como fonte de energia.[15] Os lípidos são normalmente definidos como moléculas biológicas hidrofóbicas ou anfipáticas solúveis em solventes orgânicos como o benzeno ou o clorofórmio.

• As gorduras são um grupo alargado de compostos que inclui os ácidos gordos e o glicerol; uma molécula de glicerol ligada a três ácidos gordos por uma ligação éster é um triacilglicerol. Existem diversas variações desta estrutura básica, incluindo a presença de esfingosina em esfingolípidos e grupos hidrofílicos como o fosfato nos fosfolípidos.

• Os esteróides, como o colesterol, são outro grupo significativo de lípidos sintetizados em células.

Estrutura de um triacilglicerol.

Glícidos

• Os glícidos são aldeídos ou cetonas contendo diversos grupos funcionais hidroxilo. Os glícidos simples podem existir numa forma linear ou numa forma cíclica.

• São as moléculas biológicas mais abundantes e possuem funções muito diversificadas, como o armazenamento e transporte de energia (sob a forma de amido e glicogénio) e construção de elementos estruturais (como a celulose em plantas e a quitina em animais).

Estrutura da glicose convertida da projecção de Fisher (linear) para a de Haworth (cíclica).

Estrutura da glicose

• Os glícidos mais simples são os monossacarídeos, que incluem a galactose, a frutose e a glicose. Os monossacarídeos podem formar polímeros designados polissacarídeos de formas muito diversas.

Glícidos

Coenzimas• Estrutura da coenzima acetil-CoA. O grupo acetil

encontra-se ligado ao átomo de enxofre, na extremidade esquerda.

• O metabolismo envolve um vasto conjunto de reações químicas, mas a maioria cai dentro de alguns tipos básicos de transferências de grupos funcionais.

• Esta química comum permite às células usarem um conjunto relativamente pequeno de intermediários metabólicos no transporte de grupos químicos de uma reação para a seguinte.

• Estes intermediários de transferência de grupos são as coenzimas. Cada classe de reação de transferência de grupos corresponde a uma determinada coenzima, servindo de substrato para um conjunto de enzimas que a produz e que a consome. Assim, as coenzimas são continuamente produzidas, consumidas e então recicladas.

Estrutura da coenzima acetil-CoA. O grupo acetil encontra-se ligado ao átomo de enxofre, na extremidade

esquerda.

Coenzimas

• A coenzima mais central é o trifosfato de adenosina (ATP), a moeda de troca energética universal das células. Este nucleotídeo é utilizado para transferir energia química entre diferentes reações químicas. Existe uma pequena quantidade de ATP permanentemente presente nas células, mas como é constantemente regenerado, o corpo humano é capaz de utilizar o seu peso em ATP por dia.

• O ATP atua como uma ponte entre catabolismo e anabolismo, tendo a s reações catabólicas como produtoras de ATP e as anabólicas como consumidoras. Também serve como um transportador de grupos fosfato em reações de fosforilação.

Coenzimas

Estrutura do trifosfato de adenosina, um intermediário central no metabolismo energético.

• As vitaminas são compostos orgânicos necessários em pequenas quantidades e que não podem ser sintetizados pelas células. Na nutrição humana, a maioria das vitaminas funciona como coenzimas após sofrerem uma modificação química; por exemplo, todas as vitaminas hidrossolúveis são fosforiladas ou acopladas a nucleótidos aquando da sua utilização intracelular.

• O dinucleotídeo de nicotinamida-adenina (NADH), um derivado da vitamina B3 (niacina), é uma coenzima importante que atua como aceptor de hidrogênio.

• Centenas de diferentes tipos de desidrogenases retiram eléttrons dos seus substratos e reduzem NAD+ a NADH. Esta forma reduzida da coenzima é então substrato para redutases celulares que necessitem de reduzir os seus substratos respectivos.

• O dinucleotídeo de nicotinamida-adenina existe também sob uma forma fosfatada, NADPH. O par redox NAD+/NADH é mais importante em reações catabólicas, enquanto que o par NADP+/NADPH é usado em reações anabólicas.

Coenzimas

Minerais e cofactores• Cerca de 99% da massa de mamíferos é constituída pelos

elementos carbono, hidrogênio, oxigênio, cálcio, magnésio, sódio, potássio, cloro e enxofre. Destes, são considerados "inorgânicos" os metais, o enxofre e o cloro. Enquanto que alguns dos elementos inorgânicos são abundantes em sistemas vivos (como o sódio e o potássio), outros encontram-se em quantidades vestigiais. Os compostos orgânicos (proteínas, lípidos, glícidos) contêm a maioria do carbono; a maioria do oxigênio e hidrogênio encontra-se sob a forma de água.

• Os elementos inorgânicos mais abundantes atuam como eletrólitos. Os íons mais importantes são o sódio, potássio, cálcio, magnésio, cloreto, fosfato e o íons orgânico bicarbonato. A existência de gradientes iônicos através de membranas celulares mantém a pressão osmótica e o pH. Os íons são também vitais para nervos e músculos, pois os potenciais de ação usados nestes tecidos são produzidos através da troca de electrólitos entre o fluido extracelular e o citoplasma. Os electrólitos entram e saem das células através de proteínas transmembranares denominadas canais iônicos. Por exemplo, a contração muscular depende do movimento de cálcio, sódio e potássio através de canais iônicos na membrana celular e túbulos-T.

Minerais e cofactores

• Os metais de transição são normalmente elementos vestigiais em organismos, sendo o zinco e o ferro os mais abundantes. Estes metais são usados por algumas proteínas como cofactores e são essenciais para a atividade de metaloenzimas como a catalase e proteínas de transporte de dioxigênio como a hemoglobina. Tais metais actuam como cofactores quer estando ligados diretamente à cadeia polipeptídica, quer estejam integrados em moléculas orgânicas complexas que por sua vez se encontram ligadas à cadeia polipeptídica. Os cofactores sofrem modificações durante a catálise enzimática mas voltam sempre ao seu estado inicial no fim de um ciclo catalítico.

Estrutura da hemoglobina. As subunidades da proteínas encontram-se coloridas a vermelho e azul, encontrando-se os grupos hemo a verde

Catabolismo• O catabolismo é o conjunto das reações metabólicas

que libertam energia. Tais reações incluem a degradação e oxidação de moléculas encontradas em alimentos, assim como reações que captam a energia luminosa da luz solar. As reações catabólicas providenciam energia e componentes necessários às reações anabólicas. A natureza exacta destas reacções catabólicas difere de organismo para organismo: organismos organotróficos usam moléculas orgânicas como fonte de energia, enquanto litotróficos usam substratos inorgânicos e fototróficos captam energia solar, transformando-a em energia química.

• Todas estas diferentes formas de metabolismo dependem de reações redox que envolvem a transferência de elétrons de moléculas doadoras reduzidas, como moléculas orgânicas, água, amoníaco, ácido sulfídrico ous íons ferrosos (Fe2+), para moléculas aceitadoras, como o dioxigênio (O2), o nitrato (NO3−) ou o sulfato (SO42-).

Catabolismo• Em animais, estas reações envolvem a degradação de

moléculas orgânicas complexas a moléculas mais simples, como dióxido de carbono (CO2) e água (H2O). Em organismos fotossintéticos, como as plantas e cianobactérias, estas reações de transferência eletrônica não libertam energia, sendo antes utilizadas como forma de armazenar energia absorvida da luz solar.

• O conjunto de reações catabólicas mais comum em animais pode ser separado em três etapas diferentes. Na primeira etapa, moléculas orgânicas complexas como as proteínas, polissacarídeos ou lípidos são degradados nos seus componentes fora das células. Na etapa seguinte, estas moléculas de menor tamanho são importadas pelas células e convertidas a moléculas menores, normalmente o acetil-CoA, num processo que liberta energia. Na última etapa, o grupo acetilo do acetil-CoA é oxidado a água e dióxido de carbono, libertando energia que é armazenada através da redução da coenzima dinucleótido de nicotinamida-adenina , NAD+, a NADH.

Digestão• Macromoléculas como o amido ou as proteínas não podem

ser rapidamente assimilados pelas células, tendo de ser degradados nos seus componentes de menor tamanho antes de poderem ser utilizados no metabolismo celular.

A digestão destes polímeros é feita por diversas classes de enzimas. Estas enzimas digestivas incluem as proteases, que digerem proteínas a aminoácidos, e glicosídeo hidrolases, que digerem polissacarídeos a monossacarídeos.

• Os microorganismos excretam enzimas digestivas para o ambiente ao seu redor, enquanto que os animais segregam estas enzimas em células especializadas do sistema digestivo. Os aminoácidos ou açúcares libertados por estas enzimas extracelulares são então assimiladas pelas células através de proteínas específicas usando transporte ativo.

Digestão• O catabolismo de glicídios consiste na

degradação de glícidos complexos em unidades de menor tamanho. Os glícidos são normalmente assimilados pelas células após a sua digestão a monossacarídeos.

• Após entrada na célula, a principal via de degradação é a glicólise, em que açúcares como a glicose e a frutose são convertidos a piruvato, com a concominante formação de ATP (fosforilação).

• O piruvato é um intermediáro de diversas vias metabólicas, mas a maioria é convertida a acetil-CoA, que entra no ciclo dos ácidos tricarboxílicos (ciclo de Krebs). Embora haja mais alguma formação de ATP neste ciclo, o produto principal deste é o NADH, resultante da redução do NAD+ quando o acetil-CoA é oxidado. Esta oxidação liberta dióxido de carbono.

Rede metabólica do ciclo dos ácidos tricarboxílicos de Arabidopsis thaliana. As enzimas e os metabolitos encontram-se representados com quadrados vermelhos e as suas interações com traços pretos.

• As gorduras são catabolizadas por hidrólise a ácidos graxos livres e glicerol. O glicerol entra na glicólise e os ácidos graxos são degradados por beta-oxidação a acetil-CoA, que entra, então no ciclo dos ácidos tricarboxílicos.

• Devido à sua grande proporção de grupos metileno e pelo fato de os glicídidos possuírem mais oxigênio nas suas estruturas químicas, os ácidos graxos libertam mais energia que os glicídios quando oxidados.

• Os aminoácidos são utilizados na síntese de proteínas e outras biomoléculas, ou oxidados a ureia e dióxido de carbono para obtenção de energia.

A via de oxidação começa com a remoção do grupo amina por uma transaminase, deixando um esqueleto de carbono sob a forma de um cetoácido; o grupo amina é então metabolizado no ciclo da ureia. Vários cetoácidos obtidos através da desaminação de aminoácidos são também intermediários no ciclo dos ácidos tricarboxílicos: por exemplo, a desaminação do glutamato forma α-cetoglutarato. Os aminoácidos glucogênicos também podem ser convertidos a glicose, através da gluconeogénese.

Digestão

Fosforilação oxidativa

• Na fosforilação oxidativa, os elétrons obtidos na oxidação de moléculas em vias metabólicas como o ciclo dos ácidos tricarboxílicos são transferidos para o dioxigênio, e a energia libertada é usada na síntese de ATP. Em eucariontes, este processo é levado a cabo por uma série de proteínas, a cadeia de transporte elétrons, nas membranas mitocôndriais. Em procariontes, estas proteínas encontram-se na membrana celular interna.

• Estas proteínas utilizam a energia obtida da oxidação de NADH para bombear prótons através da membrana.

• O transporte de prótons para o exterior da mitocôndria cria uma diferença de concentração de prótons entre os dois compartimentos, gerando um gradiente eletroquímico. A presença deste gradiente força os prótons a regressarem ao interior da mitocôndria através da ATP sintase. O fluxo de prótons provoca a rotação da subunidade inferior, causando a fosforilação de difosfato de adenosina (ADP) a trifosfato de adenosina (ATP).

Energia de compostos inorgânicos

• Em alguns procariontes, a energia é obtida a partir da oxidação de compostos inorgânicos. Estes organismos podem usar hidrogênio, compostos reduzidos de enxofre (como sulfuretos, ácido sulfídrico e tiossulfato), óxidos de ferro, ou amoníaco como fontes de agentes redutores, ganhando energia a partir da oxidação destes compostos com aceitadores de elétrons como o oxigênio ou o nitrito. Estes processos microbiológicos são importantes em ciclos biogeoquímicos como a acetogênese, a nitrificação e a desnitrificação e são de importância crítica para a fertilidade do solo.

AnabolismoO anabolismo é o conjunto de reações metabólicas de síntese em que

a energia libertada pelo catabolismo é utilizada para construir moléculas complexas. Em geral, as moléculas complexas que constituem estruturas celulares são construídas passo a passo a partir de precursores mais simples. O anabolismo divide-se em três etapas fundamentais: primeiro, a síntese de precursores como aminoácidos, monossacarídeos, isoprenóides e nucleotídeos, depois a sua ativação a formas reativas usando energia provinda do ATP e finalmente a construção de moléculas complexas, tais como proteínas, polissacarídeos, lípidios e ácidos nucleicos, a partir destes precursores ativados.

Os organismos diferem entre si na quantidade de diferentes moléculas que conseguem sintetizar. Os seres autotróficos, como as plantas, podem construir moléculas complexas (polissacarídeos e proteínas) a partir de moléculas muito simples como o dióxido de carbono e a água. Os seres heterotróficos necessitam de fontes alimentares para providenciar monossacarídeos e aminoácidos, para produzir macromoléculas. Os organismos podem ainda ser classificados segundo a fonte primária da sua energia: fotoautotróficos e foto-heterotróficos obtém energia a partir da luz solar, enquanto que organismos quimioautotróficos e quimio-heterotróficos obtêm energia a partir de reações de oxidação.

Fixação de carbono

• Células vegetais apresentando cloroplastos (a verde), que são os organelos em que ocorre a fotossíntese.

• A fotossíntese é o processo em que ocorre síntese de glicose a partir da luz solar, dióxido de carbono e água, havendo produção concomitante de oxigênio. Este processo utiliza ATP e NADPH produzido pelos centros reaocionais fotossintéticos para converter CO2 em glicerol-3-fosfato, que pode ser então convertido a glicose. Esta reação de fixação de carbono é catalisada pela enzima RuBisCO e é parte integrante do ciclo de Calvin.

Células vegetais apresentando cloroplastos (em verde), que são as organelas em que ocorre a fotossíntese.

Roteiro de estudo:• 1. O que é o ATP (trifosfato de adenosina) sob o ponto de vista químico? Qual

sua função. • 2. O que são seres autótrofos e heterótrofos. • 3. Conceitue: 1. Fotossíntese 2. Quimiossíntese 3. Fermentação 4. Respiração

celular 5.NAD e FAD 6.Glicólise 7. Ciclo de Krebs 8. Cadeia respiratória 9. Metabolismo 10. Catabolismo 11. Anabolismo 12. Enzima 13. Fotossíntese

• 4. Comente sobre as fermentações alcóolica, acética e lática. • 5. Por que a fermentação é um processo que apresenta menos eficiência

energética do que a respiração? • 6. Cite três caminhos do uso da glicose no interior das células? • 7. Cite as três fases da respiração celular e quais os locais onde elas se

processam nas células. • 8. Quais os três destinos do ácido pirúvico (piruvato) e quais deles ocorrem nas

células animais. • 9. O que acontece às células musculares se faltar gás oxigênio (aeróbicos

facultativos). • 10.Diferencie glicólise anaeróbica da aeróbica.