Profa. Nídia Alice Pinheiro

nidia.pinheiro@ufabc.edu.br

Profa. Nídia Alice Pinheiro

nidia.pinheiro@ufabc.edu.br

Introdução ao MetabolismoIntrodução ao Metabolismo

Metabolismo

Vias metabólicas

Processo geral por meio do qual os sistemas vivos adquirem, armazenam e usam energia livre e a transformação de precursores obtidos do meio em compostos característicos de cada organismo, é efetuado através de uma intrincada rede de reações químicas (e constitui o Metabolismo).

Metabolismo

Proteínas Carboidratos Lipídeos

ácidos graxos, glicerolAmino ácido glicose

CO2NH3 H20

Macronutrientes

Componentes mais importantes

da dieta.

Unidades constituintes

Transformação da matéria e da energia.

A seqüência das reações enzimáticas são chamadas de rota ou via metabólica.

Nas rotas metabólicas o produto de uma reação é o substrato da reação subseqüente.

As reações metabólicas ocorrem essencialmente no citoplasma ou na mitocôndria (compartimentalização).

Metabolismo

- - Catabolismo: reações que convertem energia para as formas biologicamente utilizáveis

(Alimento = CO2 + H2O + energia utilizável)

- Anabolismo: necessitam de energia para ocorrerem (síntese de glicose, DNA, lipídeos)

Metabolismo

Catabolismo – degradação - libera energia - Oxidativo

Anabolismo – biossíntese - requer energia - Redutivo

- Anfibolismo: o elo de ligação entre as vias catabólicas e anabólicas. (Onde se é promovida a quebra de moléculas para a liberação de energias livres no organismo e o consumo de tais energias na síntese de outras moléculas).

Carboidratos Proteínas Gorduras

Digestão e absorção

Açucares simples(principalmente

glicose)

AminoácidosÁcidos gordos

+ glicerol

Catabolismo

Acetil-CoA

Ciclo do Ácido Citrico

oxidado

Metabolismo – reações de oxi-redução

Em geral as reações redox das vias metabólicas envolvem a clivagem de ligação C-H, com a perda de 2 elétrons ligados ao átomo de C.

Tais elétrons são transferidos a um aceptor de elétrons como o NAD+.

Metabolismo (co-enzimas)

Metabolismo (co-enzimas)

Derivada das Vitaminas Nicotinamida

Presente nas células em concentrações limitantes.

NAD+

Nicotinamida adenina dinucleotídeo Principal aceptor de elétrons

NADH + H+

NAD+ forma reduzida (NADH+H+)Aceita 1 íon H.

Nicotinamida

Ribose

Adenina

Nuc

leot

ídeo

de

Nic

otin

amid

a

Nucleotídeo de Adenina

Atua em oxidação associada a processos

catabólicos.

Atua em reduções associada a processos

anabólicos.

Metabolismo (co-enzimas)Metabolismo (co-enzimas)

NADP: análogo da NAD+;

2 nucleotideos ligados por seu grupo fosfato via uma ligação fosfoanidrido.

Grupo hidroxila esterificado com fosfato.

Metabolismo (co-fator)Metabolismo (co-fator)

Derivada das Riboflavinas

Metabolismo (co-fator)Metabolismo (co-fator)

Flavina adenina dinucleotídeoFlavina adenina dinucleotídeo(FAD)(FAD)

FADFAD++ aceptor de aceptor de elétrons elétrons

Aceita 2 hidrogênios Aceita 2 hidrogênios (prótons e elétrons). (prótons e elétrons).

Unidade FMN (Flavina Mononucleotídeo)

Flavina

Participam em maior diversidade de rações

MetabolismoMetabolismo

Nucleotídeo responsável pelo armazenamento de energia em suas ligações químicas.

Fornece energia – é a “moeda” de energia da célula;

ATP + H2O = ADP + Pi + H+ ∆G= - 7,3

kcal/mol

ATP + H2O = AMP + PPi + H+ ∆G= - 7,3

kcal/mol

Doador de grupos fosforila.

• Essa molécula é formada pela união de:

uma adenina e uma ribose aderida a três radicais fosfato

Metabolismo (co-enzimas)Metabolismo (co-enzimas)

Uma molécula de coenzima A que leva um grupo acetilo é chamada de Acetil-CoA;Quando a Coenzima A se une ao Acetil, ela permite que ele seja degradado pelas enzimas do ciclo de krebs;

Metabolismo - regulaçãoSinais regulatórios: • Hormônios• Sistema Nervoso• Disponibilidade de Nutrientes

Sinais provenientes de dentro da célula: • Ativado por substrato• Inibidores e ativadores alostéricos• Elicitam respostas rápidas – regulação momento a momento

Sinais entre células: Sinais entre células: • Elicitam respostas mais lentasElicitam respostas mais lentas• Mediada por contato superfíciesMediada por contato superfícies• SinalizaçãoSinalização química (hormônios ou neurotransmissoresquímica (hormônios ou neurotransmissores)

Vias metabólicas

Consistem em uma série de reações enzimáticasrelacionadas que produzem produtos específicos

Os reagentes, os intermediários e os produtos são chamados metabólitos

Há mais de 2 mil reações metabólicas conhecidas, cada uma catalisada por uma enzima diferente

Vias metabólicas

Visão geral do catabolismo

Os catabólitos complexos são inicialmente degradados até suas unidades monoméricas.

E depois a Acetil-CoA, comum a todos.

O grupo acetil é oxidado a CO2 pelo Ciclo do àcido Citrico com a concomitante redução de NAD+ e FAD.

A reoxidação pelo O2 durante a fosforilação oxidativa produz H2O e ATP

Controle da rota metabólica

Perguntas para orientação do estudo:

1. Quais os substratos iniciais da via?

2. Quais são seus produtos?

3. Quais sãos as reações irreversíveis?

4. Como a via é regulada?

GlicóliseGlicólise

Profa. Nídia Alice Pinheiro

nidia.pinheiro@ufabc.edu.br

Profa. Nídia Alice Pinheiro

nidia.pinheiro@ufabc.edu.br

Metabolismo dos CarboidratosMetabolismo dos Carboidratos

A glicose é o carboidrato mais importante da biologia, pois as células a utilizam como fonte de energia e intermediária do metabolismo.Como é a maior fonte de energia, o organismo transforma todos os carboidratos dos alimentos ingeridos em glicose.

carboidratos

amidosacarose e lactose

Piruvato

CO2 e ATP

Oxidaçãoparcial

Cél. Anaeróbicas10% - 200KJ.mol-1

Cél. Aeróbicas2.870KJ.mol-1

CITOSOL

ATP

H+ + e-

Piruvato

coenzimas

Glicogênio, amido e sacarose

Armazenagem

Oxidação pela Via das

pentoses fosfato

Oxidação pela

Glicólise

Ribose – 5 - fosfato

Piruvato3C

Glicose

Polissacáridios ou sacarose

•Ac.Nucl.•NADH

• A célula necessita, para produzir energia, de

oxigênio e de nutrientes

• Na respiração celular a célula utiliza o oxigênio e liberta

energia contida nos nutrientes, produzindo

dióxido de carbono, vapor de água e outros produtos tóxicos

Respiração Celular/ GlicóliseRespiração Celular/ Glicólise

Como a energia é armazenada na célula?

Nas ligações fosfato da molécula de ATP.

Respiração Celular/ GlicóliseRespiração Celular/ Glicólise

Glicólise/HistóricoGlicólise/Histórico1. Algumas Considerações Históricas:1. Algumas Considerações Históricas:

No decurso da primeira metade do séc. XX, a Glicólise foi estudada por alguns dos mais renomeados Bioquímicos:

1860: Pasteur postula que a Fermentação é catalisada por enzimas indissociáveis das estruturas celulares

1897: Buchner descobre que as enzimas da fermentação podem atuar independentemente das estruturas celulares

1905: Harden e Young identificam uma Hexose-bisfosfato como intermediária da Glicólise e verificaram a necessidade de certas coenzimas (NAD, ADP e ATP)

Anos 30: Embden postulou a separação da Frutose 1,6 - bisfosfato

1938 – Warburg et al. Demonstraram a capacidade de conservar energia sob a forma de ATP

GlycolysisGlycolysis tem a sua origem no Grego em que glykglyk = Doce + LysisLysis = Dissolução

Na atualidade podemos definir a Glicólise como a seqüência de reações que converte a Glicose em Piruvato, havendo a produção de Energia sob a forma de ATP

Glicólise/DefiniçãoGlicólise/Definição

Piruvato3C

Glicose

2 ATP

•Via central, quase universal do catabolismo da glicose;

•Via pela qual ocorre o maior fluxo de carbono;

• Ocorre em todos os tecidos (exceto fígado em jejum);

• Início do processo de oxidação de carboidratos;

• Principal substrato = GLICOSE;

• Substratos 2ários = Frutose e Galactose;

• Possui 2 Fases:

- Investimento de Energia (-2 ATPs)

- Pagamento de Energia (+ 4ATPs + 2NADH)

Glicólise/DefiniçãoGlicólise/Definição

1 – Principal meio de degradação da Glicólise1 – Principal meio de degradação da Glicólise

2 – Obtenção de Energia mesmo em condições Anaeróbias2 – Obtenção de Energia mesmo em condições Anaeróbias

3 – Permite a degradação da Frutose e da Galactose3 – Permite a degradação da Frutose e da Galactose

Principais Razões:Principais Razões:

• Outras Razões:Outras Razões:

-Os tecidos têm necessidade de transformar a energia contida na glicose em ATP

-A Glicólise é fundamental para a produção de Acetil-CoA

-A Glicólise foi um dos primeiros sistemas enzimáticos a ser esclarecido, contribuindo o seu estudo para a melhor compreensão dos processos enzimáticos e de metabolismo intermediário

Glicólise/ImportânciasGlicólise/Importâncias

Na glicólise se obtém a fragmentação da molécula de açúcar em 2 moléculas de Piruvato. A energia obtida é colocada à disposição das funções celulares sob a forma de ATP.

Em organismos aeróbios, a glicólise se constitui no segmento inicial da degradação da glicose, sendo sucedida pela respiração celular;

Nos organismos anaeróbios ( e aeróbios em certas circunstâncias) , a glicólise é sucedida pelo processo de fermentação.

Glicólise/Visão GeralGlicólise/Visão Geral

GLICÓLISE - importânciaGLICÓLISE - importânciaEtapas da Glicólise

- A Glicólise divide-se em duas partes principais:

1- Ativação ou Fosforilação da Glicose: Investimento de energia. A glicose é fosforilada e clivada para gerar duas moléculas de triose gliceraldeído-3-fosfato (GAP). Processo que consome 2 ATPs.

2- Transformação do Gliceraldeído em Piruvato: Recuperação de energia. As duas moléculas de gliceraldeído-3-fosfato (GAP) são convertidas em 2 moléculas de piruvato com a produção de 4 ATPs, tendo um saldo líquido de 2 ATPs.

1- Ativação ou Fosforilação da Glicose

1- Ativação ou Fosforilação da Glicose

Hexoquinase – a primeira utilização do ATP

Reação 1: transferência de um grupo fosfato do ATP para a glicose, formando glicose-6-fosfato (G6P)

Hexoquinase

glicose glicose-6-fosfato (G6P)

Hexoquinase – requer Mg2+ - MgATP2+

A hexoquinase catalisa a fosforilação de hexoses como D-glicose, D-manose e D-frutose

O substrato para a hexoquinase é o complexo Mg2+-ATP;O acoplamento da hidrólise do ATP e da fosforilação da glicose é exergônica e praticamente irreversível.

Mudança conformacional da hexoquinase na presença da glicose

Ajuste Induzido.

Reação 2: é a conversão da G6P em frutose-6-fosfato (F6P) por meio da fosfoglicose-isomerase (PGI) – isomerização de uma aldose para uma cetose.

A segunda reação

Fosfohexose isomerase

glicose-6-fosfato (G6P) Frutose-6-fosfato (G6P)

aldose cetose

isomerização

Rearranjo dos grupos carbonila e hidroxila nos carbonos C1 e C2 – é critica para os dois passos seguintes!

Na reação 3, a fosfofrutoquinase (PFK) fosforila F6P para formar frutose-1,6-bifosfato (FBP ou F1,6P)

A terceira reação

Esta enzima catalisa o ataque nucleofílico do grupo C1- OH sobre o átomo eletrofílico -fósforo do complexo Mg2+-ATP;

A fosfofrutoquinase desempenha um papel fundamental no controle da glicólise porque catalisa uma das reações determinantes do fluxo dessa via;

Pode ter a atividade aumentada pelo AMP e inibida pelo ATP e citrato.

Fosfofrutoquinase(PFK-1) também é uma enzima reguladora e representa o ponto principal de regulação da glicólise.

A terceira reação

Fosfofrutoquinase(PFK-1)

Frutose-6-fosfato (G6P)

Frutose 1-6-bifosfato (G6P)

Baixo ATP – atividade de PFK-1 aumentada.

Excesso de produtos de hidrólise de ATP - PFK-1 aumentada.

Alto ATP

PFK-1 inibida

As três primeiras reações da glicólise

A quarta reaçãoA aldolase catalisa a quarta reação ; Cliva a frutose-1,6-bifosfato para formar duas trioses :

gliceraldeído-3-fosfato (GAP) e diidroxiacetona-fosfato (DHAP)

Fruto 1, 6, bifosfato aldolase

2 trioses isoméricas

gliceraldeído-3-fosfato (GAP)

diidroxiacetona-fosfato (DHAP)

Frutose 1,6-bifosfato (G6P)

gliceraldeído-3-fosfato (GAP)

diidroxiacetona-fosfato (DHAP)

Frutose 1,6-bifosfato (G6P)

Rápido e reversivelmente convertida em

Triose-fosfato-isomerase (TIM)

Interconversão das trioses fosfatos

Somente um dos produtos da reação, o gliceraldeído-3-fosfato, continua na via glicolítica;

Ambos, gliceraldeído-3-fosfato (GAP) e diidroxiacetona fosfato (DHAP), são isômeros cetose-aldose, assim como a F6P e a G6P;

GAP e DHAP são interconvertidos por uma reação de isomerização com um intermediário enediol.

A quinta reação

Reação de isomerização pela TIM

A triose-fosfato-isomerase catalisa esse processo na reação 5 da glicólise, a reação final da etapa 1 ( a fase preparatória da glicólise).

diidroxiacetona-fosfato (DHAP)

gliceraldeído-3-fosfato (GAP)

Uma molécula de glicose foi transformada em duas moléculas

de gliceraldeido 3 – fosfato (GAP);

2 ATPs foram consumidos na geração de intermediários

Fosforilados;

O investimento de energia ainda não foi compensado.

Balanço da etapa 1 da glicólise

A reação 6Gliceraldeído-3-fosfato-desidrogenase (GAPDH)

Formação do primeiro intermediário de alta energia;

A reação 6 é a oxidação e a fosforilação do GAP por NAD+ e Pi

catalisada pela GAPDH;

Reação exergônica que promove a síntese do acilfosfato de alta

energia, 1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG);

acil-fosfato – compostos com alto potencial de transferência de

grupos fosfato.

Síntese do 1,3-bifosfoglicerato

Reação 6 – primeira reação da segunda etapa

Gliceraldeído-3-fosfato-

desidrogenase (GAPDH)gliceraldeído-

3-fosfato (GAP)

Fosfato inorgânico

1,3 -bifosfoglicerato

A reação 7

Fosfoglicerato-quinase (PGK)

Primeira geração de ATP;

A reação 7 produz ATP junto com 3-fosfoglicerato (3PG), em uma

reação catalisada pela fosfogliceratoquinase;

Esta mesma quinase realiza a reação inversa, que é uma

transferência de grupo fosfato do ATP para o 3PG, formando 1,3-

BPG.

A reação realizada pela Fosfoglicerato-quinase (PGK)

1,3-bifosfogliceratotransferência de grupo fosfato do 1,3

bifosfoglicerato para o ADP gerando ATP.

Fosfoglicerato-quinase

Acoplamento entre as reações de GAPDH e PGK

Uma reação levemente desfavorável pode ser acoplada a uma reação altamente favorável, de forma que ambas ocorram no sentido direto;

Nas reações 6 e 7, o 1,3-BPG é o intermediário comum

Exemplo de fosforilação ao nível do substrato

processo no qual o grupo fosfato de um composto químico é removido e adicionado diretamente ao ADP

A reação 8

Na reação 8, o 3-fosfoglicerato é convertido em 2-fosfoglicerato (2PG)

pela fosfoglicerato-mutase (PGM);

As mutases catalisam a transferência de um grupo funcional de uma

posição para outra em uma mesma molécula;

Esta reação é uma preparação para a próxima reação da via.

Conversão do 3-fosfoglicerato em 2-fosfoglicerato

3-fosfoglicerato 2-fosfoglicerato

fosfoglicerato-mutase

A Fosfoglicerato-mutase catalisa a transferência reversível do grupo fosfato entre o C-2 e o C-3 do glicerato.

A reação 9

Desidratação do 2 – fosfoglicerato em fosfoenolpiruvato

Formação do segundo intermediário de alta energia; Na reação 9, o 2-fosfoglicerato é desidratado a fosfoenolpiruvato (PEP).

2 – fosfoglicerato fosfoenolpiruvato

Enolase

Composto fosfato de super alta energia

A reação 10

Segunda geração de ATP ;

Na reação 10, a reação final, a PK

acopla a energia livre da clivagem do

fosfoenolpiruvato a síntese de ATP

durante a formação do piruvato

Transferência do grupo fosfato do fosfoenolpiruvato para o ADP

Piruvato quinase (PK)

Piruvato quinase

Reação irreversível e importante sítio de

regulação.

Piruvato quinase (PK)A reação é altamente exergônica, fornecendo energia livre suficiente para promover a síntese de ATP;

Outro exemplo de fosforilação ao nível do substrato;

O alto potencial de transferência de grupo fosfato do PEP reflete a alta liberação de energia livre ao converter o produto enolpiruvato em piruvato.

Reação de tautomerização - ocorre pelo rearranjo de elétrons e prótons na molécula

Forma enol Forma ceto

tautomerização

O investimento da primeira etapa é pago em dobro na segunda

etapa;

Duas unidades C3 fosforiladas são transformadas em dois piruvatos,

com a síntese acoplada de 4 ATPs;

Avaliação da etapa 2 da glicólise

GLICOSE + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 PIRUVATO + 2 NADH + 2 ATP + 2 H2O + 4H

Fase de investimentoGlicólise:

1

2

3

4

2 x Glyceraldehyde 3-phosphate

Glicoquinaseouhexoquinase

fosfohexose isomerase

fosfofrutokinase 1

aldolase

triose fosfato isomerase

5

(6C)

(2x 3C)

6

7

8

9

10

Glyceraldehyde 3-phosphate+Dihydroxyacetone phosphate

Fase de pagamentoGlicólise:

5 triose fosfato isomerase

gliceraldeído 3P deidrogenase

Fosfoglicerato quinase

Fosfoglicerato mutase

enolase

piruvato kinase

2 açúcares de 3 C

1 açúcar de 6 C

A partir deste ponto as reações são

duplicadas

2 moléculas de Piruvato (3C)

Saldo:

2 moléculas de ATP

2 moléculas de NADH

Glicose + 2NAD + 2ADP + 2Pi → 2Piruvato + 2NADH + 2H + 2ATP + 2HGlicose + 2NAD + 2ADP + 2Pi → 2Piruvato + 2NADH + 2H + 2ATP + 2H22O O

Glicólise/Reação FinalGlicólise/Reação Final

• A necessidade glicolítica varia de acordo com os diferentes estados fisiológicos

• Há uma ativa degradação deste açúcar após uma refeição rica em hidratos de carbono, assim como uma acentuada redução durante o Jejum.

• Deste Modo, o grau de conversão de Glicose para o Piruvato é regulado, por forma a satisfazer as necessidades celulares

Glicólise/ControleGlicólise/Controle

O Controle a Longo PrazoLongo Prazo da Glicólise, particularmente no fígado, é efetuado a partir de alterações na quantidade de Enzimas glicolíticas. Esta ação refletirá nas taxas de síntese e degradação

O Controle a Curto PrazoCurto Prazo é feito por alteração alostérica (concentração de produtos) reversível das enzimas e também pela sua fosforilação.

As enzimas mais propensas a serem locais de controle são as que catalisam as reações irreversíveis:

-Hexocinase

-Fosfofrutocinase

-Cinase do Piruvato

Glicólise/ControleGlicólise/Controle

Glicólise: via catabólica – degradação de glicose e outros açúcares a piruvato;

Glicólise: via de 10 passos, sendo 7 passos reversíveis e 3 irreversíveis (pontos

de regulação da via);

Uma molécula de glicose é convertida em duas moléculas de piruvato (via do

carbono);

Duas moléculas de ADP e duas de fosfato inorgânico são convertidas em duas

moléculas de ATP (via dos grupos fosforila);

Quatro elétrons (dois íons hidreto) são transferidos de 2 moléculas de

gliceraldeido 3 – fosfato para duas de NAD+ (a via dos elétrons);

Glicólise aeróbica: eficiência de produção de ATP por glicose é alta, velocidade

baixa;

Glicólise/FasesGlicólise/Fases

• Glicose Glicose + ATP + ATP Glicose -6-Fosfato + ADP Glicose -6-Fosfato + ADP

• Glicose -6- Fosfato Glicose -6- Fosfato Frutose -6- FosfatoFrutose -6- Fosfato

• Frutose -6-P + ATP Frutose -6-P + ATP Frutose 1,6-BiFosfato + ADP Frutose 1,6-BiFosfato + ADP

• Frutose 1,6-BiFosfato Frutose 1,6-BiFosfato Gliceraldeído 3-P + Dihidrocetona Gliceraldeído 3-P + Dihidrocetona FosfatoFosfato

Glicólise/FasesGlicólise/Fases

• Gliceraldeído 3-P Gliceraldeído 3-P Dihidrocetona Fosfato Dihidrocetona Fosfato

Glicólise/FasesGlicólise/Fases

• Gliceraldeído 3-P + NAD + PiGliceraldeído 3-P + NAD + Pi 1-3 Bisfosfoglicerato + NADH + H 1-3 Bisfosfoglicerato + NADH + H

• 1-3 Bisfosfoglicerato + ADP1-3 Bisfosfoglicerato + ADP 3-Fosfoglicerato + 3-Fosfoglicerato + ATPATP

Glicólise/FasesGlicólise/Fases

• 3-Fosfoglicerato 3-Fosfoglicerato 2-Fosfoglicerato 2-Fosfoglicerato

• 2-Fosfoglicerato2-Fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato + H O Fosfoenolpiruvato + H O2 2

Glicólise/FasesGlicólise/Fases