Metabolismo e Bioenergética

Metabolismo
e
Bioenergética
METABOLISMO
Mas o que é metabolismo?
Metabolismo é o nome que damos ao conjunto das
reações químicas que ocorrem dentro das células.
O fato é que todas as reações químicas que acontecem dentro das
células dos seres vivos não violam qualquer lei química ou física: as
transduções de energia obedecem a TODAS as leis da
termodinâmica
O conjunto de reações químicas que ocorrem dentro das
células é chamado de METABOLISMO e visa:
•Obter energia química pela degradação de nutrientes
•Converter os nutrientes em precursores de macromoléculas
•Organizar as pequenas moléculas em polímeros ou em
moléculas complexas
• Formar e degradar moléculas necessárias a funções
especializadas das células
As vias centrais do metabolismo são muito
similares em quase todas as formas de vida
A questão central é a capacidade que os
organismos vivos têm de conseguirem formas
eficientes de aproveitar a energia potencial.
 Bioenergética
Estudo quantitativo das transformações de energia que ocorrem nas células
vivas, bem como da natureza e função dos processos químicos nelas envolvidos.
Ex. conversão da energia química em gradientes de concentração e elétrico,
em movimento e em calor.
Os processos que ocorrem nos seres vivos também obedecem as leis
da termodinâmica.
• Primeira
lei da termodinâmica: 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 da termodinâmica: tendência do universo à desordem
crescente.
“Em todos os processos naturais, a entropia do universo aumenta.”
 Entropia (S): expressão quantitativa da desordem de um sistema. Quanto
menos complexo e mais desordenado forem as moléculas, maior será o ganho
de entropia.
Energia livre de Gibbs (G): expressa a quantidade de energia capaz de realizar
trabalho.
Gi
Gf
S
P
ΔG = Gf - Gi
ΔG = negativo, molécula do produto com menos energia (reação
exergônica)
ΔG = positivo, molécula do produto com mais energia (reação
endergônica)
ΔG – Variação de energia livre
ΔH - Variação da entalpia
ΔS – Variação da entropia
T - Temperatura
Entalpia (H): conteúdo de calor do sistema reagente refletindo o número e os tipos
de ligações químicas nos reagentes e nos produtos.
ΔH = negativo, há liberação de calor
-
reação exotérmica
ΔH = positivo, o sistema absorve energia na forma de calor
reação endotérmica
Considerando a 2ª lei da termodinãmica...
ΔG = ΔH - TΔS
ΔG
negativo
ESPONTÂNEA
+
Variação de energia livre padrão está relacionada com a constante de
equilíbrio.
“A composição de um sistema reagente tende a variar até que o equilíbrio
químico seja atingido.”
Constante
de equilíbrio
aA + bB
Fotossíntese
6 CO2 + 6 H2 O  C6 H12 O6 + 6 O2
Respiração
C6 H12 O6 + 6 O2  6 CO2 + 6 H2O
cC + dD
G’° = + 2850 KJ/mol
G’° = - 2850 KJ/mol
Acoplamento de energia
reações exergônicas (espontâneas) X reações endergônicas
Ex: Glicose + Pi
ATP +H2O
Glicose + ATP
Glicose–6P + H2O
ADP + Pi
G = 13,8 kJ/mol
G = -30,5 kJ/mol
Glicose–6P + ADP
G = -16,7,5 kJ/mol
 Adenina Trifosfato (ATP)
• As células heterotróficas obtêm energia pelo catabolismo durante o
processo exergônico sintetizando ATP a partir de ADP e Pi.
• O ATP fornece a energia química para as células durante o processo
endergônico.
• A energia do ATP é utilizada para formação de macromoléculas a partir de
precursores menores, transporte de substâncias contra o gradiente de
concentração, movimento mecânico, geração de calor.
Base química da alta liberação de
energia livre pela hidrólise de ATP
A forma pela qual o ATP fornece a energia
que possibilita uma reação química nem
sempre é uma simples hidrólise
 Fosfocreatina
• Durante o período de contração ativa a fosfocreatina regenera o ATP.
• Após o exercício a fosfocreatina é ressintetizada a partir da creatina e
ATP.
Composto de alta energia, na glicólise, fornece o fosfato para a formação do
ATP.
•Fosfoenolpiruvato – PEP
•1,3 bisfosfoglicerato – 1,3 BPG
Compostos de alta energia
G’º hidrólise < -25 kJ/mol
Em reações químicas, o fluxo de elétrons é capaz de gerar energia
Reações de óxido redução
•Nas reações químicas podem ocorrer transferência de elétrons de
uma molécula para outra.
• Coenzimas, NAD+, NADP+ e FAD+, são moléculas hidrossolúveis que
sofrem redução e oxidação.
• As coenzimas recebem um íon hidreto (:H-) sendo transformada na
sua forma reduzida.
NAD+ + 2e- + 2H+
NADH + H+
 Coenzimas transportadoras de elétrons
•
Características gerais das vias metabólicas
IRREVERSIBILIDADE
DIRECIONAMENTO
ECONOMIA DOS INTERMEDIÁIOS
REGULAÇÃO
IRREVESSIBILIDADE
Tem um passo irreversível (termodinamicamente muito favorável ∆G«0), no
início da via, que serve para comprometer a direção do fluxo e assegurar a
irreversibilidade
Reação irreversível nas
condições celulares
Características das rotas metabólicas:
-
Irreversibilidade
Direcionamento
Economia dos intermediários
Regulação
Várias etapas existem para oxidar a glicose más somente uma faz sentido
nas transformações químicas necessárias para a célula
Características das rotas metabólicas:
-
Irreversibilidade
Direcionamento
Economia dos intermediários
Regulação
Intermédiários que participam de forma reversível nas reções de oxido-redução
como transportadores de életrons
GLICERALDEÍDO 3-P DESIDROGENAE
Características das rotas metabólicas:
-
Irreversibilidade
Direcionamento
Economia dos intermediários
Regulação
• Limitado pelo substrato
(reação em equilíbrio).
• Limitado pela enzima (reação
exergônica) – passo limitante
da via.
Características das rotas metabólicas:
-
Irreversibilidade
Direcionamento
Economia dos intermediários
Regulação
Enzimas específicas (pelo
menos uma) para catalisar
apenas anabolismo ou
catabolismo.
CARBOIDRATOS
CARBOIDRATOS
(HIDRATOS DE CARBONO)
ESTRUTURA
RECONHECIMENTO
REGULAÇÃO
ENERGIA
ESTRUTURA: Participa na composição da matriz extracelular e em paredes celulare
RECONHECIMENTO: identificação de células pelo sistema imune
REGULAÇÃO: enzimas podem ser glicosiladas e mudar de localização na célula
ENERGIA: fornecimento de energia (glicólise) ou armazenamento
CARBOIDRATOS
(DEFINIÇÃO)
•
Poli-hidroxi-cetonas ou Poli-hidroxi-aldeídos.
•
Fórmula empírica: (CH2O)n
•
CLASSIFICAÇÃO:
– Monossacarídeos
– Oligossacarídeos (dissacarídeos)
– Polissacarídeos (>20 unidades)
MONOSSACARÍDEOS
• Carbonos ligados por ligações simples na forma aberta.
• Os mais simples são as trioses:
• Grupo carbonila: aldoses (no fim da cadeia do carbono) ou
cetoses
• Pelo número de carbonos: trioses, tetroses, pentoses...
• O mais abundante é a glicose (aldohexose)
ALDOSES
CETOSES
ENANTIÔMEROS
•
•
Todos
os
monossacarídeos,
com
exceção
da
dihidroxiacetona, apresentam um ou mais carbono
assimétrico.
Por convenção, uma forma é chamada isômero D e a
outra isômero L
ESTRUTURAS CÍCLICAS
• Em solução, carbonos com 5 ou mais carbonos formam
estruturas cíclicas semelhantes ao pirano e furano:
MONOSSACARÍDEOS MODIFICADOS
•
•
•
Além dos monossacarídeos discutidos até aqui, organismos apresentam
uma série de hexoses derivadas.
Nesses casos, um grupo hidroxil é substitído por outros grupos ou a
carbonila é oxidada gerando uma carboxila.
Outra modificação importante é a fosforilação.
Glicose 6-P
OLIGOSSACARÍDEOS
• Formados pela ligação de dois ou mais monossacarídeos.
• Forma-se uma ligação O-glicosídica.
• Os mais comuns são os dissacarídeos.
Glicose + frutose
Glicose + Galactose
Glicose + Glicose
Açúcar de mesa (cana de açúcar)
Leite
Vegetais
POLISSACARÍDEOS
•
•
•
•
Formados pela ligação de mais de 20 monossacarídeos.
Podem formar cadeias lineares ou ramificadas.
Homopolissacarídeos: amido, glicogênio, celulose, quitina
Heteropolissacarídeos: peptidoglicanas (parede de bactérias)
É necessário de energia para manter as moléculas do sistema em ordem.
Energia
Calor
PRINCIPAIS PROCESSOS ONDE OCORRE CONSUMO DE ATP
1 – Estágios iniciais da degradação de nutrientes
• Glicose + ATP
Glicose-6P + ADP
• palmitato + CoA
palmitoil CoA + AMP + 2 Pi
2 – Interconversão de nucleosídios tri- fosfato
• ATP + NDP
ADP + NTP
3 – Processos fisiológicos tais como:
•Transporte ativo
•Contração muscular
•Biossíntese de proteínas
•Replicação do DNA
4 – Garantindo reações altamente endergônicas
PRINCIPAIS PROCESSOS ONDE OCORRE PRODUÇÃO DE ATP
1.
2.
3.
4.
Fosforilação ao nível do substrato
Fosforilação oxidativa
Fotofosforilação
Reação da adenilato quinase
ADP
ATP + AMP
ATP NÃO É
ESTOCADO
• o tempo de meia vida do ATP varia de alguns minutos a
segundos, dependendo da célula;
• O suprimento de ATP do cérebro é suficiente para poucos
segundos de atividade celular;