Metabolismo

Profª Eleonora – Slide de aula
Introdução ao Metabolismo
Profª Eleonora – Slide de aula
Metabolismo
Relacionamento energético entre as vias catabólicas e as vias anabólicas
O termo metabolismo é
Nutrientes que
liberam energia
Macromoléculas
celulares
Carboidratos
Gorduras
Proteínas
Proteínas
Polissacarídeos
Lipídios
Ácidos nucléicos
Catabolismo
Catabolismo
Energia
química
ATP
NADPH
Anabolismo
Anabolismo
Produtos finais
pobres em energia
Moléculas
Precursoras
CO2
H 2O
NH3
Aminoácidos
Açúcares
Ácidos graxos
Bases nitrogenadas
utilizado para se referir a
soma de todas as reações
químicas que ocorrem em um
organismo vivo.
Uma vez que as reações
químicas liberam ou
necessitam de energia, o
metabolismo pode ser visto
como uma ação de
balanceamento de energia.
Desta forma, metabolismo
pode ser dividido em duas
classes de reações químicas:
aquelas que liberam energia e
aquelas que requerem
energia.
As vias catabólicas liberam energia química na forma de ATP e de NADH (ou NADPH),
NADPH que
são utilizados, nas vias anabólicas (biossintéticas), para converter moléculas precursoras
pequenas em macromoléculas celulares.
Profª Eleonora – Slide de aula
Variação de energia livre em reações metabólicas
Embora se diga, de uma maneira geral, que as reações catabólicas tendem a liberar energia
e as reações anabólicas tendem a consumir energia, de fato, todas as reações na célula
ocorrem com uma diminuição resultante na energia livre,
livre isto é, ∆G é sempre menor do que
zero.
Em uma célula, estas reações não são isoladas, mas sim unidas, de modo que a energia livre
de uma reação termodinamicamente favorável pode ser transferida a uma segunda reação
desfavorável para permitir que ela ocorra.
A variação padrão de energia livre para a reação, ∆Go, é uma constante para uma reação
particular. Pode ser um valor positivo ou negativo e indica se a reação ocorre
espontaneamente (∆Go < 0) ou não (∆Go >0).
Uma reação bioquímica pode inicialmente parecer ser proibitiva, porque sua variação de
energia livre é maior do que zero. Contudo, a reação pode ocorrer quando está acoplada a
uma segunda reação cujo valor de ∆G seja muito grande e negativo, de modo que a variação
resultante na energia livre para as reações combinadas é ainda menor do que zero.
O ATP está frequentemente envolvido em tais reações acopladas, porque suas reações
podem liberar uma grande quantidade de energia.
Profª Eleonora – Slide de aula
Adenosina Trifosfato (ATP)
O ATP é um composto de potencial energético elevado formado à custa da energia liberada
no catabolismo e que se constitui numa reserva energética na célula.
Quando a energia é necessária para as reações de síntese, a ruptura de uma ligação entre
dois grupos fosforilo, num número suficiente de moléculas de ATP, libera essa quantidade
de energia.
A molécula apresenta três ligações P-O:
Uma ligação fosfoéster,
ster cuja hidrólise é
acompanhada de uma variação de energia
livre padrão, ∆Go’ ≈ - 2,5 kcal.mol-1,
correspondente à reação:
AMP + H2O → Adenosina + Pi
Duas ligações fosfoanidrido ou
pirofosfato,
pirofosfato cuja hidrólise é acompanhada
por uma grande diminuição de energia livre,
∆Go’ ≈ - 7,5 kcal.mol-1, para cada uma das
reações:
ATP + H2O → ADP + Pi
ADP + H2O → AMP + Pi
Observação: adenosina = adenina + ribose; AMP = adenosina monofosfato; ADP = adenosina difosfato;
ATP = adenosina trifosfato; 1 cal = 4,184 J.
Profª Eleonora – Slide de aula
Papel do ATP em uma reação acoplada
A fosforilação da glicose por fosfato inorgânico (HPO42- ou Pi) é termodinamicamente
desfavorável (∆Go’ = + 13,8 kJ.mol-1):
-
C H2O P O 32
C H2OH
H
C
HO
C
H
O
OH
C
H
C
H
OH
H
H
C
OH
C
+ Pi
HO
C
H
O
OH
C
H
C
H
OH
H
C
OH
+ H2 O
A hidrólise do ATP é uma reação espontânea (∆Go’ = - 30,5 kJ.mol-1 ou – 7,3 kcal.mol-1):
ATP + H2O
ADP + Pi
Quando as duas reações são combinadas, os valores de ∆Go’ são adicionados:
Glicose + Pi
ATP + H2O
Glicose + ATP
glicose-6-fosfato + H2O
ADP + Pi
glicose-6-fosfato + ADP
(∆Go’ = +13,8 kJ .mol-1)
(∆Go’ = -30,5 kJ .mol-1)
(∆Go’ = -16,7 kJ .mol-1)
Portanto, a reação global para a fosforilação da glicose é termodinamicamente favorável.
Na célula, esta reação é catalisada pela enzima hexoquinase e uma fosforila é transferida
do ATP diretamente para a glicose.
Observação: O ATP não é realmente hidrolisado. Contudo, escrevendo as duas reações acopladas fica
mais fácil de visualizar o que acontece termodinamicamente.
Profª Eleonora – Slide de aula
Formação de ATP
O ATP é formado nos organismos vivos por fosforilação do ADP, acoplada com reações de
oxidação que fornecem a energia necessária.
Essas fosforilações oxidativas ocorrem nas transferências de elétrons pela cadeia
respiratória das células aeróbicas (onde o oxigênio é o aceptor final de elétrons, isto é, o
oxidante), ou na fase luminosa da fotossíntese (fotofosforilação), que permite a
conversão da energia luminosa em energia química. Estes dois processos têm lugar,
respectivamente, nas mitocôndrias e nos cloroplastos.
A fosforilação do ADP em ATP ocorre também, sem a interferência do oxigênio, em
processo denominado fosforilação no nível de substrato.
substrato
Observação:
Guanosina trifosfato ou GTP difere do ATP
por conter guanina como base nitrogenada
Profª Eleonora – Slide de aula
Co-fatores reduzidos
Em geral, o catabolismo de aminoácidos, oses e ácidos graxos é um processo de oxidação
(oxidação é a perda de elétrons).
Por exemplo, os grupamentos metileno (- CH2-) saturado (reduzido) de um ácido graxo são
eventualmente liberados como CO2, no qual o carbono é totalmente oxidado.
Ao contrário, a síntese de aminoácidos, oses e ácidos graxos a partir de precursores
ainda menores é geralmente um processo de redução (redução é o ganho de elétrons).
As reações de oxidorredução envolvem a transferência de elétrons (simbolizados por e-),
de modo que, quando um composto é oxidado e doa os seus elétrons, um outro composto é
reduzido quando aceita os elétrons.
Quando um nutriente é oxidado, seus elétrons são colhidos por uma coenzima:
Nutriente
(reduzido)
Co-fator
(oxidado)
O termo co-fator inclui coenzimas, assim como, íons metálicos
que são essencias para algumas atividades enzimáticas
eNutriente
(oxidado)
Uma coenzima é um grupamento orgânico que participa de uma
reação enzimática.
Co-fator
(reduzido)
Os co-fatores mais relevantes para o metabolismo são as
coenzimas NAD+ (ou NADP+) e FAD.
Cada elétron se move como um átomo de hidrogênio (um próton e um elétron).
Profª Eleonora – Slide de aula
As vias catabólicas geram quantidades consideráveis de co-fatores reduzidos.
Alguns deles são reoxidados em reações anabólicas.
Os restantes são reoxidados em processo que libera energia e que é acompanhado pela
síntese de ATP a partir de ADP + Pi.
Em organismos aeróbicos, a reoxidação do NADH e a produção acoplada de ATP necessitam
da redução do O2 a H2O.
Co-fator
(reduzido)
O2
e-
Co-fator
(oxidado)
H2 O
Observação: Os organismos anaeróbicos, sintetizam ATP sem o uso de O2 como agente oxidante.
Profª Eleonora – Slide de aula
Coenzimas NAD+ e FAD
Estrutura das formas oxidadas da nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+)
e da flavina adenina dinucleotídeo (FAD).
N
NAD+ é um co-fator no
qual um derivado de
niacina (nicotinamida) e
uma ribose formam
juntos uma metade do
nucleotídeo; um
nucleotídeo de adenina
forma a outra metade.
FAD é um co-fator
nucleotídico
constituído de uma
riboflavina (também
conhecida como
vitamina B2) unida por
um difosfato a uma
adenosina.
Profª Eleonora – Slide de aula
Estrutura da forma oxidada da nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato (NADP+)
O dinucleotídeo NADP+ difere do NAD+
apenas pela presença de um grupo fosfato (em
vermelho) esterificado ao carbono 2 da ribose
do nucleotídeo de adenosina.
Em geral, NAD+ participa em reações catabólicas
e NADP+ em reações anabólicas.
Profª Eleonora – Slide de aula
Reações de óxido-redução catalisadas por enzimas desidrogenases que têm
NAD+ e FAD como coenzimas.
O substrato reduzido (SH2) é
oxidado, perdendo dois átomos
de hidrogênio, e as coenzimas
convertem-se nas suas formas
reduzidas.
O NAD+ recebe um íon hidreto
(um próton e dois elétrons),
ficando o segundo próton no
meio.
O FAD recebe os dois átomos
de hidrogênio.
A reação é reversível, de modo
que o co-fator reduzido pode
tornar-se oxidado pela
entrega de seus dois elétrons.
Pelo fato das coenzimas serem
solúveis em solução aquosa,
elas podem trafegar por toda
a célula, transferindo os
elétrons dos compostos
reduzidos para os oxidados.
Observação: Estão representadas apenas as partes reativas do NAD+ e FAD, o restante das moléculas sendo simbolizado
por R.
Profª Eleonora – Slide de aula
Coenzima A (CoA ou CoA-SH)
A Coenzima A é um derivado de
nucleotídeo contendo uma adenosina
fosforilada ligada a um ácido pantotênico
(vitamina B3), com uma cadeia lateral
terminando em uma sulfidrila (SH).
Uma terceira classe de compostos que
podem liberar uma grande quantidade de
energia por hidrólise são os tioésteres,
como a acetil-Coenzima A (grupo acetil
ligado a sulfidrila da CoA).
O
CoA S
C
CH3
O
CoA S
C
R
Acil-Coenzima A: Quando o grupo
R (cadeia hidrocarbonada) não é
especificado.
A
A hidrólise
hidrólise da
da ligação
ligação tioéster
tioéster tem
tem valor
valor de
de ∆G
∆Goo’’ == -31,5
-31,5 kJ.mol
kJ.mol-1-1,, compatível
compatível ao
ao da
da hidrólise
hidrólise do
do ATP
ATP
Profª Eleonora – Slide de aula
Esquema simplificado do processo de obtenção e utilização de energia em
organismos quimiorganotróficos (*)
A oxidação de nutrientes leva à
redução de coenzimas que são
oxidadas por O2, produzindo ATP.
Pi = fosfato inorgânico (HPO42- a pH 7,4).
Os processos biológicos utilizam a
energia do ATP, sintetizado por
oxidação de nutrientes.
(*) Organismos que utilizam compostos orgânicos como fontes de carbono e de energia.
A maioria das bactérias e todos os fungos e animais são quimiorganotróficos.
Profª Eleonora – Slide de aula
Mapa simplificado de parte do metabolismo de carboidratos, lipídios e proteínas
No estágio I, centenas de
proteínas e muitas espécies de
lipídeos e de carboidratos são
degradadas liberando as
moléculas fundamentais que as
compõem, que são em número
relativamente pequeno.
No estágio II, as moléculas
fundamentais são degradadas até
o produto comum, os grupos acetil
do acetil-CoA.
No estágio III, o catabolismo
converge para o ciclo do ácido
cítrico.
Como produtos finais do
catabolismo são formados,
principalmente, CO2, H2O e NH3.
Observação: As setas indicam reações em alguns casos, e em outros, etapas de vias metabólicas
compostas por várias reações.