Metabolismo Energético

Apresentação em tema: "Metabolismo Energético"— Transcrição da apresentação:

1 Metabolismo Energético
Prof. Didier Salmon MSc Cristiane S. Lessa . Bioquímica para Enfermagem Dezembro 2015 14/12/15

2 Metabolismo Energético
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 Manutenção da vida Forneça uma breve visão geral da apresentação. Descreva o foco principal da apresentação e por que ela é importante. Introduza cada um dos principais tópicos. Para fornecer um roteiro para o público, você pode repita este slide de Visão Geral por toda a apresentação, realçando o tópico específico que você discutirá em seguida.

3 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 -> Atividade celular altamente dirigida e coordenada Cooperação de muitos sistemas enzimáticos, mais de enzimas participam de diversas vias metabólicas.

4 Metabolismo Carboidratos
Metabolismo -> Atividade celular altamente dirigida e coordenada Cooperação de muitos sistemas enzimáticos, mais de enzimas participam de diversas vias metabólicas.

5 Produção de energia química em forma de ATP e NADH (NADPH e FADH2)
Metabolismo Energético Quais são os objetivos? Produção 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. Os organismos vivos tem uma notável capacidade de transdução de energia. Utilizam a energia contida nos alimentos para realizar a síntese de macromoléculas e realizar trabalho Síntese de moléculas complexas: fotossíntese (fase escura), gliconeogenese, síntese de ácidos graxos, etc. Trabalho: contração muscular, manutenção de um gradiente eletroquímico, etc.

6 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  As células de qualquer organismo são sistemas estáveis que se mantem afastadas do equilíbrio (exemplo: formação do gradiente eletroquímico pela bomba de Na e K). Um organismo só entra em equilíbrio com o meio quando morre. Para se manter afastado do equilíbrio a célula precisa gastar energia (ex. bomba de Na e K é transporte ativo, gasta ATP) Células se mantem afastadas do equilíbrio e sintetizam macromoléculas complexas, ou seja, aumentam o grau de ordem, o que vai na contramão da segunda lei da termodinâmica

7 Termodinâmica Entropia = energia Entalpia = grau de desordem
Quais 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 A transdução biológica da energia obedece às mesmas leis físicas que governam todos os demais processos naturais. É portanto, importante para um estudante de bioquímica entender estas leis e as maneiras pelas quais elas se aplicam no fluxo de energia na biosfera. Entropia: medida da desordem, procura-se mensurar a parcela da energia que não pode ser convertida em trabalho. Trabalho pode ser convertido completamente em calor, mas calor não pode ser integralmente convertido em trabalho Sistemas fechados x abertos “Em todos os processos naturais, a entropia do universo aumenta.” Entalpia Entropia = energia Entalpia = grau de desordem Entropia

8 Sistema tende a ir para um aumento da desorganização
A entropia do sistema aumenta, a oxidação da glicose (sólido) produz água (líquido) e CO2 (gás), mas a é liberada para o ambiente pois os sistemas vivos são sistemas abertos (possuem estruturas dissipativas). Outro fato importante, nesse tipo de reação o número de moléculas aumenta, de 7 para 12. Sempre que numa reação química o número de moléculas aumenta ou quando uma substância sólida é convertida em líquidos ou gases, ocorre um aumento da desordem molecular (aumento da entropia) Ou seja, estão de acordo com a segunda lei da termodinâmica pois a entropia do universo aumenta.

9 Bioenergética Esta é outra opção para um slide de Visão Geral usando transições.

10 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. Mas o que é bioenergética: é o estudo das transformações de energia que ocorrem nas células vivas

11 Transdução de Sinal Fototróficos Quimiotróficos
Quais são as transduções de energia existentes? Organismos que utilizam a luz solar como fonte de energia. Autotróficos: carbono vindo do CO2 Heterótrofos: carbono de compostos orgânicos Organismos que obtém energia de compostos químicos (heterótrofos): todos retiram carbono de matéria orgânica Os seres humanos são organotróficos

12 Processo de transdução de energia em acordo com as leis da termodinâmica

13 Qual a fonte da nossa energia?
De onde nós, seres humanos, retiramos a energia que precisamos para sobrevier? Proteínas, lipídios e carboidratos: combustíveis principais. O que há de comum entre eles: são grandes cadeias de carbono. De onde vem a energia desses combustíveis? Dos elétrons disponíveis. Quanto mais reduzido é um composto, mais energético ele é. Os ácidos graxos são os mais reduzidos, logo, os mais energéticos. Para que é preciso extrair elétrons desses compostos?

14 Adenosina Trifosfato Esta é outra opção para um slide de Visão Geral usando transições.

15 Adenosina Trifosfato - ATP
Moeda energética 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) Para sintetizar ATP (Trifosfato de Adenosina ou Adenosina trifosfato) A moeda energética dos seres vivos. É um nucleotídeo trifosfatado (açúcar (Ribose) + uma purina/base nitrogenda (adenina) + três fosfatos ligados no carbono 5 da ribose) Quando falamos que é necessário gastar energia para realizar determinado processo metabólico, isso significa gastar ATP

16 Energia livre de ativação de Gibbs
Hidrólise de ATP A hidrólise do ATP é exergônica, ou seja, libera uma grande quantidade de energia que é utilizada para favorecer muitas reações. A hidrólise do ATP é uma reação favorável devido a diminuição da repulsão entre as cargas negativas dos fosfatos. O Pi liberado logo se estabiliza por ressonância dos elétrons. O ADP resultante da quebra ioniza em meio aquoso, liberando um próton, contribuindo para o favorecimento da reação Quando a reação libera energia, o delta G é negativo, e dizemos que a reação é favorável. Energia livre de ativação de Gibbs

17 Energia livre de Gibbs G – energia livre de Gibbs H – entalpia
Energia livre de ativação de Gibbs: razão entre o estado de energia livre na etapa intermediária e o substrato G – energia livre de Gibbs H – entalpia S - entropia Equilíbrio: aA + bB cC + dD O que quer dizer delta G (variação de energia livre) Pode ser expressa pela equação acima, onde H é entalpia, T é temperatura e S é a entropia Entalpia é o conteúdo de calor só sistema reagente. Se a variação (delta) pode ser expressa como a H final – H inicial, vemos que, se a reação é exotérmica, ou seja, libera calor para o ambiente, H final será menor que H inicial, e o delta será negativo S expressa entropia e da mesma forma, se S final é maior que inicial, concluímos que o delta S será positivo. A variação de energia livre está relacionada a constante de equilíbrio de uma reação Falar de delta G zero (condições padrões de temperatura, pressão e concentração de reagentes)

18 Variação da energia livre da fosfocreatina
Fosfocreatina funciona como uma molécula de estoque de energia. Quando os níveis de ATP estão caindo, a creatina fosfato doa esse fosfato para um ADP. A reação para síntese do ATP é desfavorável, delta G de + 30,5, mas a hidrólise da fosfocreatina libera mais energia, -43,0. O acoplamento das reações, hidrólise da fosfocreatina + síntese de ATP torna a última reação favorável. Vias metabólicas normalmente acoplam reações favoráveis e desfavoráveis, favorecendo determinada via. = armazenamento de energia

19 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.

20 Rotas Metabólicas

21 Existem dois tipos de rotas:
Rotas Metabólicas São 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.

22 Rotas Metabólicas Catabolismo –
Moléculas dos alimentos (carboidratos, gorduras) CO2 +H2O + energia útil Catabolismo – Simplificação de moléculas a compostos comuns Produtos finais Produtos finais do catabolismo são utilizados Dois grandes braços do metabolismo: anabolismo e catabolismo Anabolismo e catabolismo estão relacionados, moléculas em comum utilizadas nas duas grandes vias. Anabolismo – Síntese de biomoléculas Energia útil + precursores simples Moléculas complexas

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

24 Características das Rotas Metabólicas
Irreversibilidade Direcionamento Economia dos intermediários Regulação Forneça uma breve visão geral da apresentação. Descreva o foco principal da apresentação e por que ela é importante. Introduza cada um dos principais tópicos. Para fornecer um roteiro para o público, você pode repita este slide de Visão Geral por toda a apresentação, realçando o tópico específico que você discutirá em seguida.

25 Características das Rotas Metabólicas
Irreversibilidade Direcionamento Economia dos intermediários Regulação DG’°<0 A 2 1 A=B? C B Ex. a gliconeogênese acontece no fígado e tem a função de fornecer glicose para exportar aos tecidos quando há baixo nível de estoque de glicogênio e não há glicose suficiente disponível. Ciclo fútil

26 Características das Rotas Metabólicas
Irreversibilidade Direcionamento Economia dos intermediários Regulação DG’°<0 A 2 1 Várias enzimas que participam da glicólise também participam da gliconeogênese Algumas reações são reversíveis, outras não Três reações da glicólise(de tão exergônicas), são irreversíveis Todas as três tem o ∆G grande e negativo C B

27 Características das Rotas Metabólicas
Irreversibilidade Direcionamento Economia dos intermediários Regulação DG’°<0 A 2 1 Essas reações normalmente são as etapas reguladas de uma via metabólica C B

28 ATP + Frutose-6-fosfato  ADP + Frutose-1,6-bifosfato
A gliconeogênese utiliza desvios em cada uma dessas três reações, consumindo ATP sem realizar nenhum trabalho Exemplo da Glicólise / Gliconeogênese Vias antagônicas. PFK1/FBPase = enzimas diferentes em cada via. Mecanismos de ativação e inibição antagônicos (Ex. AMP) PFK1 ATP + Frutose-6-fosfato  ADP + Frutose-1,6-bifosfato FBPase1 Frutose-1,6-bifosfato +H2O  Frutose-6-fosfato +Pi ATP +H2O  ADP +Pi + CALOR

29 Características das Rotas Metabólicas
Irreversibilidade Direcionamento Economia dos intermediários Regulação Várias etapas existem para oxidar a glicose, mas somente uma faz sentido nas transformações químicas necessárias à célula. Glicose oxidase também oxida a glicose, mas não supre as necessidades energéticas da célula. A glicólise, outra via de oxidação da glicose, supre a demanda energética de células anaeróbias, produção de ATP.

30 Características das Rotas Metabólicas
FAD FADH2 Irreversibilidade Direcionamento Economia dos intermediários Regulação NAD+ NADH Intermediários que participam de forma reversível nas reações de oxido-redução como transportadores de elétrons. Reações de óxido-redução: Agente redutor: molécula doadora de elétrons Agente oxidante: molécula receptora de elétrons NAD+ NADH FAD FADH2 C6H12O6 + 6O CO2 + 6H2O 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.

31 Coenzimas como transportadores de elétrons
Reações de oxidação-redução: Agente redutor: molécula doadora de elétrons Agente oxidante: molécula receptora de elétrons C6H12O6 + 6O CO2 + 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. FMN (mononucleotídeo de flavina), FAD (flavina adenina dinuleotídeo), NAD (nicotinamida adenina dinucleotídeo), NADP (nicotinamida adenina dinuleotídeo fosfato). Na oxidação completa da glicose, NADs e FADs oxidados doam elétrons para a cadeia respiratória, para a produção massiva de ATP.

32 NADH Estrutura: dois nucleotídeos ligados, um tem adenina como base, o outro tem nicotinamida Os elétrons podem entrar em duas posições na nicotinamida: na frente (A) ou atrás (B). Aceitam dois elétrons NADH detectado em 340nm, NAD não. Detecção de balanço redox celular

33 FADH2 FAD: mononucleotídeo de flavina (FMN) ligado a um nucleotídeo de adenina. Assim como o NAD, funciona como um aceptor/doador de elétrons importantes, entretanto, podem aceitar um ou dois elétrons. Participam de uma diversidade maior de reações. FAD e FMN funcionam normalmente como grupos prostéticos, já NAD/NADP tema maior mobilidade, carreando elétrons de um substrato para outro (transportadores hidrossolúveis de elétrons)

34 Estereoespecificidade das desidrogenases que utilizam NAD.

35 Outro transportador intermediário  ATP !
A hidrólise do ATP favorece reações, diminuição da energia de ativação Cineticamente estável e termodinacamente instável

36 Energia Acoplada Reação endergônica = reação enzimática
Reação exergônica = reação espontânea ∆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

37 A hidrólise do ATP por si só não fornece outra coisa que calor ao meio
A hidrólise do ATP por si só não fornece outra coisa que calor ao meio. O que ocorre de verdade é uma transferência do grupo fosforil para o substrato. A reação escrita como um passo só, tem dois passos

38 Compostos de alta energia
DG’º hidrólise < -25 kJ/mol Forneça uma breve visão geral da apresentação. Descreva o foco principal da apresentação e por que ela é importante. Introduza cada um dos principais tópicos. Para fornecer um roteiro para o público, você pode repita este slide de Visão Geral por toda a apresentação, realçando o tópico específico que você discutirá em seguida.

39 Hidrólise do fosfoenolpiruvato (PEP)
Produto tem duas formas estáveis, o que favorece a quebra em piruvato e Pi, com consequente doação do grupo P para o ADP.

40 Hidrólise do 1,3-difosfoglicerato
Reação favorecida pela estabilização do produto em duas formas ressonantes. Compostos fosforilados tem energia suficiente para sintetizar o ATP  potencialpara transferir o grupo fosfato

41 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 Forneça uma breve visão geral da apresentação. Descreva o foco principal da apresentação e por que ela é importante. Introduza cada um dos principais tópicos. Para fornecer um roteiro para o público, você pode repita este slide de Visão Geral por toda a apresentação, realçando o tópico específico que você discutirá em seguida.

42 As 3 etapas da respiração celular
Forneça uma breve visão geral da apresentação. Descreva o foco principal da apresentação e por que ela é importante. Introduza cada um dos principais tópicos. Para fornecer um roteiro para o público, você pode repita este slide de Visão Geral por toda a apresentação, realçando o tópico específico que você discutirá em seguida.