Metabolismo e Bioenergética

Metabolismo Atividade celular altamente organizada por inúmeras reações enzimáticas, provocando alterações químicas específicas (ex. remoção, transferência, adição de um átomo ou adição de um grupo funcional).

Objetivos do metabolismo converter nutrientes em moléculas próprias de cada célula; formar macromoléculas a partir de moléculas monoméricas; sintetizar e degradar biomoléculas necessárias a funções celulares específicas; obter energia química, por fotossíntese ou degradação de nutrientes; Catabolismo: fase degradativa do metabolismo, na qual moléculas maiores são convertidas em moléculas menores e mais simples. Esta reação libera energia. Anabolismo: moléculas pequenas e simples são ligadas formando em moléculas maiores. Esta reação requer fornecimento de energia.

Bioenergética Estudo quantitativo das transformações de energia que ocorrem nas células vivas, bem como da natureza e função dos processos químicos nelas envolvidos. 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.” Ex. conversão da energia química em gradientes de concentração e elétrico, em movimento e em calor.

“Em todos os processos naturais, a entropia do universo aumenta.” Segunda lei da termodinâmica: tendência do universo à desordem crescente. “Em todos os processos naturais, a entropia do universo aumenta.” Calor Energia Entropia (S): expressão quantitativa da desordem de um sistema. Quanto menos complexo e mais desordenado forem as moléculas, maior será o ganho de entropia. É necessário de energia para manter as moléculas do sistema em ordem.

Transdução de energia fototróficos quimiotróficos

De onde tiramos a nossa energia?

Entalpia (H): conteúdo de calor do sistema reagente refletindo o número e os tipos de ligações químicas nos reagentes e nos produtos. ΔH = negativo, reação exotérmica ΔH = positivo, reação endotérmica Energia livre de Gibbs (G): expressa a quantidade de energia capaz de realizar trabalho. ΔG = negativo, molécula transformada com menos energia (reação exergônica) ΔG = positivo, molécula transformada com mais energia (reação endergônica)

Variação de energia livre padrão e constante de equilíbrio. “A composição de um sistema reagente tende a variar até que o equilíbrio químico seja atingido.” aA + bB cC + dD Fotossíntese 6 CO2 + 6 H2 O  C6 H12 O6 + 6 O2 G’° = + 2850 KJ/mol Respiração C6 H12 O6 + 6 O2  6 CO2 + 6 H2O G’° = - 2850 KJ/mol

Variações de energia livre são aditivas Reações químicas em sequência possuem a sua própria constante de equlíbrio e sua G’°. Glicose + Pi Glicose-6-fosfato + H2O G’° = +13,8 kJ/mol ATP + H2O ADP + Pi G’° = -30,5 kJ/mol Glicose + ATP ADP + glicose-6-fosfato G’° = 13,8 + (-30,5) = -16,7 kJ/mol

Acoplamento de energia reações exergônicas (espontâneas) X reações endergônicas

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 e geração de calor.

Hidrólise do ATP

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.

Fosfoenolpiruvato (PEP) Composto de alta energia, na glicólise, fornece o fosfato para a formação do ATP.

1,3-bifosfoglicerado

Compostos de alta energia DG’º hidrólise < -25 kJ/mol

Coenzimas transportadoras de elétrons 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+

Características das rotas metabólicas: - Irreversibilidade - Direcionamento - Economia dos intermediários - Regulação

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 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

Características das rotas metabólicas: - Irreversibilidade - Direcionamento - Economia dos intermediários - Regulação

CARBOIDRATOS (HIDRATOS DE CARBONO) ESTRUTURA RECONHECIMENTO REGULAÇÃO ENERGIA 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 do carbono) 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 Usa-se como referência o carbono mais distante da carbonila para classificar os estereoisômeros.

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.

Açúcar de mesa (cana de açúcar) 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

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)

NADH + H+ NAD+ ATP ADP + H+ ADP ATP H2O ATP ADP + H+ NADH + H+ ADP ATP NAD+ + Pi 38

Diidroxiacetona fosfato Gliceroldeído-3-fosfato 1,3-bifosfoglicerato 2-fosfoglicerato glicose Diidroxiacetona fosfato fosfoenolpiruvato piruvato 3-fosfoglicerato Frutose-1-6-bifosfato Glicose-6-fosfato frutose-6-fosfato Gliceroldeído-3-fosfato Lactato 39