3 Introdução ao Metabolismo e Glicólise - Aula 3 - Profa. Nídia
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Profa. Nídia Alice Pinheiro
Profa. Nídia Alice Pinheiro
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
Profa. Nídia Alice Pinheiro
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