METABOLISMO ENERGÉTICO

METABOLISMO Conjunto de reações químicas altamente coordenadas que ocorrem nas células ou no interior de organismos vivos.

Objetivos do metabolismo Obter energia química (em forma de ATP, NADH, NADPH e FADH2) por captação da energia solar ou degradação dos nutrientes Converter as moléculas dos nutrientes em moléculas com características próprias da célula ou prepursores Formar macromoléculas necessárias as funções celulares Sintetizar e degradar macromoléculas Rotas metabólicas Conjunto de reação que produz ou degrada um determinado produto (substrato) ou conjunto de produto. Ex: Glicólise Catabólicas (degradação ou “quebra” de compostos) Anabólicas (síntese, ou seja, formação de compostos) As vias catabólicas são acompanhadas por liberação de energia livre, enquanto o anabolismo requer energia para ser realizado.

Bioenergética Estudo quantitativo das transformações de energia que ocorrem dentro da célula viva, bem como na natureza, em função dos processos químicos nelas envolvidos. Os sistemas biológicos respeitam as leis gerais da termodinâmica

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.”

Sistema tende a ir para um aumento da desorganização

Transdução de energia Quimiotróficos Fototróficos

De onde tiramos nossa energia? Dieta

As células funcionam sob sistema de isoterma, ou seja, funcionam à temperatura constante. Desta forma a única fonte de energia que as células utilizam é a energia livre de Gibbs (DG°) que permite predizer a direção das reações químicas, o equilíbrio químico e quantidade de trabalho necessário para que a reação ocorra à temperatura e pressão constantes. A energia livre provém dos nutrientes para os seres heterotróficos e da absorção de energia solar para os organismos fototróficos. A energia livre é transformada em ATP e outras moléculas energéticas.

ATP: “moeda” energética

Hidrólise do ATP FIGURE 13-20 Nucleophilic displacement reactions of ATP. Any of the three P atoms (α, β, or γ) may serve as the electrophilic target for nucleophilic attack—in this case, by the labeled nucleophile R—18O:. The nucleophile may be an alcohol (ROH), a carboxyl group (RCOO–), or a phosphoanhydride (a nucleoside mono- or diphosphate, for example). (a) When the oxygen of the nucleophile attacks the γ position, the bridge oxygen of the product is labeled, indicating that the group transferred from ATP is a phosphoryl (—PO32–), not a phosphate (—OPO32–). (b) Attack on the β position displaces AMP and leads to the transfer of a pyrophosphoryl (not pyrophosphate) group to the nucleophile. (c) Attack on the α position displaces PPi and transfers the adenylyl group to the nucleophile.

Coenzimas como transportadores de elétrons Reações de oxidação-redução: Agente redutor: molécula doadora de elétrons Agente 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 Molécula encontrada nas células de todos os seres vivos, usado como "transportador de elétrons" nas reações metabólicas de oxi-redução, tendo um papel preponderante na produção de energia para a célula. Em sua forma reduzida, NADH, faz a transferência de elétrons durante a fosforilação oxidativa.

FADH2 Molécula transportadora de energia metabólica, sendo utilizada como substrato na fosforilação oxidativa. O FADH2 é reoxidado a FAD, resultando subsequentemente na síntese de duas moléculas de ATP por cada FADH2. 

Fosfocreatina: molécula de estocagem de energia

Energia livre de Gibbs Expressa quantidade de energia capaz de realizar um trabalho durante uma reação . Entalpia (H): conteúdo de calor de um sistema reagente. Ex.: quando libera calor, é exotérmica – conteúdo de calor do produto é menos do que do reagente, ∆H é negativo. Entropia (S): expressão quantitativa de desordem de um sistema. Quanto menos complexo e mais desorganizado for o sistema, maior será o ganho de entropia.

Reações exergônicas (espontâneas) = X Reações endergônicas= Acoplamento de energia Reações exergônicas (espontâneas) = X Reações endergônicas= DG’°<0 DG’°<0 DG’° para oxidação completa da glicose em CO2 + H20 ~ 686 kcal/mol (2850 kJ/mol) DG’° de hidrólise 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

Características das rotas metabólicas 1. Irreversibilidade DG’°<0 A 1 2 C B Ciclo fútil?

3. Economia de intermediários 2. Direcionamento Várias etapas existem para oxidar a glicose mas somente uma faz sentido nas transformações químicas necessárias para a célula. 3. Economia de intermediários Intermediários que participam de forma reversível nas reações de oxido-redução como transportadores de elétrons

4. 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.

CARBOIDRATOS (HIDRATOS DE CARBONO) ENERGIA ESTRUTURA RECONHECIMENTO REGULAÇÃO ESTRUTURA: Participa na composição da matriz extracelular e em paredes celulares 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 Podem apresentar N, S ou P. CLASSIFICAÇÃO: de acordo com a hidrólise 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 de carbone) ou cetoses Pelo número de carbonos: trioses, tetroses, pentoses... O mais abundante é a glicose (aldohexose)

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 4 ou mais carbonos formam estruturas cíclicas

OLIGOSSACARÍDEOS Formados pela ligação de dois ou mais monossacarídeos. Forma-se uma ligação O-glicosídica. Os mais comuns são os dissacarídeos. Açúcar de mesa (cana de açúcar) Leite Grãos em germinação

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.

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)