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Professor: Nolio de Jesus Menezes Filho Bioqumica

Bioqumica elementar - conceito e objetivos

A Bioqumica o ramo da qumica que se preocupa com as transformaes moleculares dos

constituintes celulares.

Metabolismo o conjunto de transformaes moleculares dos constituintes celulares.

O metabolismo divido em sntese (anabolismo) ou de degradao (catabolismo) de

molculas.

Esses constituintes celulares so tambm denominados de biomolculas, se apresentam em

elevado nmero nas diferentes espcies.

Resumindo:

A. Anabolismo: A fase do metabolismo (requerente de energia) que concerne a biossntese dos componentes celulares a partir de precursores pequenos.

B. Catabolismo: A fase do metabolismo que envolve a produo de energia por meio da degradao das molculas dos nutrientes.

A alimentao e o jejum alternam o metabolismo entre os estados Anablico e Catablico.

1. Complexa rede de interaes entre as vias bioqumicas

No metabolismo degradativo, macromolculas so diminudas em molculas mais simples, ao passo que a fase anablica se caracteriza pela formao de estruturas moleculares mais complicadas a partir dessas entidades mais simples.

O anabolismo e o catabolismo ocorrem concomitantemente numa clula viva.

Professor: Nolio de Jesus Menezes Filho Bioqumica 2. Metablitos originados de uma via de degradao podem ser utilizados para a sntese de

compostos

3. Reversibilidade parcial das principais vias do metabolismo de carboidratos e lipdeos o catabolismo substitudo pelo anabolismo em resposta ingesto do alimento.

4. No estado alimentado: vias ativas so a gliclise, sntese de glicognio, lipognese e sntese de protenas.

5. No estado de jejum (poucas horas aps a alimentao): glicognio e lipdeos armazenados so degradados, a protena convertida em gliclise (gliconeognese), outros processos

biossintticos se tornam lentos.

Todas as molculas encontradas na clula desempenham uma ou mais funes, dentre as

quais podemos mencionar:

a) Funo estrutural: constituem o arcabouo ou invlucro, como as membranas, limitando matria viva (protoplasma) e s vezes compartimentalizando os processos

bioqumicos, ou quer como esqueleto sustentando e dando forma ao organismo.

b) Funo energtica: quando atravs da degradao de tais compostos, a energia qumica encerrada nas ligaes covalentes (C-C C-H e C-OH) de alguma forma

utilizada para a sntese de ATP (adenosina Trifosfato). O ATP posteriormente

empregado na realizao quatro dos diversos trabalhos fisiolgicos (contrao

muscular, excreo, transporte ativo, etc.) bem como nas atividades de biossntese ou

anabolismo.

CARBOIDRATOS

1. CONCEITO - Quimicamente podem ser definidos como aldedos ou cetonas poliidroxilados ou substncias que mediante hidrlise liberem tais compostos.

Apresentam uma formulao geral Cx (H2O) Y, com raras excees. Assim a

desoxirribose (encontrada no DNA) apresenta frmula C5H10O4, onde a relao H:O

no de 2:1. Igualmente podemos encontrar carboidratos com outros elementos alm

do C, H O. Embora no muito freqente, N, S e P podem integrar molculas de

carboidratos. Outras denominaes: hidratos de carbono, acares, glucdios e

glcides.

Gliclise Por que iniciar o estudo do metabolismo dos compostos combustveis pela gliclise?

Via metablica universal (passos idnticos nas nossas clulas cerebrais e nas bactrias

anaerbicas) para metabolizar a glicose e produzir energia. Permite introduzir os mecanismos

de regulao das vias metablicas por pequenos efetores alostricos, por modificaes

qumicas reversveis de enzimas e pelo controle da expresso gnica.

A maioria dos tecidos tem alguma necessidade de glicose, por esta razo, a gliclise a

principal via do metabolismo da glicose, ocorrendo no citosol de todas as clulas. A capacidade

da gliclise de produzir ATP na falta de oxignio permite que o msculo esqueltico trabalhe

em nveis elevados mesmo na falta de oxignio.

A concentrao de glicose na corrente sangunea mantida a nveis sensivelmente constantes. A glicose entra nas clulas por difuso facilitada. Este processo no permite a acumulao na

Professor: Nolio de Jesus Menezes Filho Bioqumica clula de concentraes de glicose superiores s existentes no sangue, conseqentemente tem de manter glicose em seu interior, sendo realizado por modificao qumica da glicose pela enzima hexoquinase:

A membrana celular impermevel glicose-6-fosfato, que pode por isso ser acumulada na clula. A glicose-6-fosfato ser utilizada na sntese do glicognio (uma forma de armazenamento de glicose), para produzir outros compostos de carbono na via das pentoses fosfato, ou degradada para produzir energia - gliclise.

Para poder ser utilizada na produo de energia, a glicose-6-fosfato primeiro isomerizada a frutose-6-fosfato. A frutose-6-fosfato depois fosforilada a frutose-1,6-bisfosfato. Este o ponto de no-retorno desta via metablica: a partir do momento em que a glicose transformada em frutose-1,6-bisfosfato no pode ser usada em nenhuma outra via.

Seguidamente, a frutose-1,6-bisfosfato clivada em duas molculas de trs carbonos cada:


Estas duas molculas (dihidroxiacetona fosfatada e gliceraldedo-3-fosfato) so facilmente interconvertveis por isomerizao. Portanto, basta uma via metablica para degradar as duas. por esta razo que a glicose-6-P foi isomerizada a frutose-6-P: os aldedos tm potenciais de oxidao-reduo bastante baixos A reao de oxidao do gliceraldedo-3-fosfato pelo NAD+ bastante espontnea. uma reao to exergnica que pode ser usada para produzir ATP . A produo de ATP feita em dois passos. No primeiro, d-se a oxidao do gliceraldedo-3-fosfato e a fosforilao do cido produzido.

Os cidos fosforilados (tal como os fosfoenis e os fosfoguanidinos) tm grupos fosfatos bastante energticos: a sada do grupo fosfato d origem a espcies muito mais estabilizadas por ressonncia. O grupo fosfato do carbono 1 do 1,3-bisfosfoglicerato pode por isso ser transferido para ADP, produzindo ATP.

O 3-fosfoglicerato isomerizado a 2-fosfoglicerato, que depois de desidratado e. perder H2O d origem a um fosfoenol:

Devido ao seu elevado potencial de transferncia de fosfato, o fosfoenolpiruvato pode transferir um fosfato o ADP:


Na gliclise gastam-se portanto dois ATP (primeira fase at a formao das duas molculas de gliceraldedo-3-fosfato), e produzem-se quatro ATP. O NAD+ tem de ser regenerado, caso contrrio a gliclise pra, uma vez que substrato de uma das reaes. Em condies aerbicas, o NADH transfere os seus eltrons para a cadeia transportadora de eltrons. Na ausncia de O2 o NADH transfere os seus eltrons para o prprio piruvato, dando origem a lactato. o que se denomina fermentao: um processo em que o aceitador final dos eltrons provenientes da degradao um produto orgnico da prpria degradao.

Via Glicoltica ou Gliclise

A gliclise (ou via glicoltica) o primeiro estgio do metabolismo, e consiste em um processo anaerbico, com saldo positivo de 2 ATP e 2 piruvatos (que podem ser convertidos a lactato ou a Acetil-CoA, e entrar no Ciclo de Krebs). Mas para entender esta via, necessrio que saibamos de onde veio a glicose que ser usada para a formao dessa energia.

O corpo humano (assim como todos os seres vivos) necessita de energia para a realizao de suas funes vitais. Os carboidratos so fontes rpidas de energia, e sero degradados por enzimas digestivas para que passem da luz intestinal ao sangue, visto que o organismo no capaz de absorver molculas maiores. Esses carboidratos sero degradados at que cheguem ao monossacardeo glicose.

A glicose proveniente da alimentao ser a base para a formao de energia necessria para a manuteno do nosso organismo, e para que realizemos nossas funes dirias.


A partir do momento em que dissacaridoses degradam dissacardeos em glicose, na luz do

intestino, estas molculas seguiro para a corrente sangunea. Para isso, a glicose associa-se ao

sdio, e assim, atravessa microvilosidades e canais especficos.

Podemos ento definir a concentrao de glicose no sangue como glicemia:

Alta concentrao de glicose no sangue: hiperglicemia

Baixa concentrao de glicose no sangue: hipoglicemia

Concentrao ideal de glicose no sangue (indivduo em jejum - 70 a 99mg/dL): normoglicemia

A glicose que est no sangue, precisa ento, entrar na clula, para que a gliclise acontea.

Para isso, inicia-se a Via de Sinalizao da Glicose, no qual o hormnio insulina, produzido no

pncreas, atua estimulando uma cascata de reaes bioqumicas ao se ligar ao seu receptor IR.

Ao se ligar ao IR, este estmulo prossegue pelas protenas IRS1->PI3K->AKT, respectivamente,

at que o GLUT (transportador de glicose) receba este estmulo e haja a sua translocao para

a membrana da clula, abrindo um canal para a entrada da glicose do meio extracelular, para o

interior da clula.

Agora sim, temos glicose dentro da clula, e podemos comear a descrever a gliclise, que

possui 10 reaes para a converso da glicose, e divida em duas fases: preparatria e fase de

pagamento.

Professor: Nolio de Jesus Menezes Filho Bioqumica FASE PREPARATRIA: h a preparao para a transferncia de eltrons e a fosforilao do ADP, utilizando a energia da hidrlise de ATP.

1 etapa - Ocorre a fosforilao da glicose, pela enzima Hexoquinase, para que glicose permanea na clula. O fosfato adicionado ao carbono 6 da molcula de glicose, portanto, o produto ser glicose-6-fosfato. importante ressaltar que a glicose no perde nenhum carbono, h apenas um rearranjo na sua estrutura.

Para a adio do fosfato (fosforilao) glicose, h o primeiro gasto de energia.

GLICOSE + ATP -> G6P + ADP

2 etapa - H a isomerizao da glicose-6-fosfato, formando frutose-6-fosfato. A enzima que catalisa esta reao a glicose fosfato isomerase. Novamente, h apenas um rearranjo, sem perca de carbono, visto que a glicose uma aldose, e a frutose uma cetose, mas ambas so hexoses.

3 etapa - A frutose-6-fosfato fosforilada, produzindo frutose-1,6-bisfosfato. Esta reao acoplada hidrlise de ATP, constituindo ento o segundo gasto de energia. A G6P e a F6P podem desempenhar papis em outras vias, mas a frutose-1,6-bisfosfato no, por isso este um ponto irreversvel da gliclise. A enzima que cataliza esta reao afosfofrutoquinase.

4 etapa - Ocorre a diviso da frutose-1,6-bisfosfato em dois fragmentos de 3 carbonos, formando Diidroxiacetona fostato eGliceraldedo-3-fosfato. A enzima que catalisa esta reao a aldolase.

5 etapa - A Diidroxiacetona fostato convertida em Gliceraldedo-3-fosfato, pela enzima triose fosfato isomerase.

Nota-se que uma molcula de glicose (hexose) foi quebrada e convertida a duas molculas de Gliceraldedo-3-fosfato (triose), portanto, as reaes que se seguem sero representadas apenas uma vez, mas na realidade, duas molculas de Gliceraldedo-3-fosfato estaro participando de reaes iguais.

FASE DE PAGAMENTO: at este momento, no houve nenhuma reao oxidativa, e foram usados 2 ATP. Por isso, esta fase recebe este nome, visto que haver o pagamento dos das molculas de ATP gastas, com saldo positivo de 2 ATP e 2 Piruvatos.

6 etapa - Ocorre a oxidao do Gliceraldedo-3-fosfato a 1,3-bisfosfoglicerato, pela enzima Gliceraldedo-3-fosfato desidrogenase. Esta a reao caracterstica da gliclise, porque envolve a adio de fosfato ao Gliceraldedo-3-fosfato e transferncia de eltrons para o NAD+ (nicotinamida adenina dinucleotdio). O NAD+ um transportador de energia, e reduzido a NADH ao receber dois eltrons e um prton.

7 etapa - H a produo de ATP pela fosforilao do ADP, pela enzima Fosfoglicertato quinase, e o 1,3-bisfosfoglicerato se converte em 3-Fosfoglicerato. Temos ento, o pagamento do ATP gasto. Diferentemente da etapa 6, a fosforilao no oxidativa, pois no h transferncia de eltrons, e sim de fosfato, em nvel de substrato.

Vale ressaltar, portanto, que 2 ATP foram produzidos, j que temos esta reao em dobro.

Professor: Nolio de Jesus Menezes Filho Bioqumica 8 etapa - H um rearranjo do 3-Fosfoglicerato, e o fosfato passa do carbono 3 para o carbono 2. Isso acontece pela enzimafosfogliceromutase. Forma-se ento o 2-Fosfoglicerato.

9 etapa - Ocorre a desidratao do 2-fosfoglicerato, formando fosfoenolpiruvato, pela enzima enolase.

10 etapa - O Fosfoenolpiruvato transfere fosfato ao ADP, pela enzima Piruvato quinase, produzindo ento, 2 molculas de piruvato e 2 ATP (lembre-se que a reao acontece duas vezes).

FOSFOENOLPIRUVATO + ADP -> PIRUVATO + ATP

Fase preparatria: gasto de 2 ATP

Fase de pagamento: produo de 4 ATP e 2 Piruvatos

Saldo positivo de 2 ATP e 2 Piruvatos, alm de 2 NADH.

Pontos de controle da gliclise

Se o organismo no necessitar urgentemente de energia, as vias podem ser "desativadas", para que haja economia de energia. Na gliclise, h ento 3 pontos de controle da via:

1 - glicose para glicose-6-fosfato

2 - frutose-6-fosfato para frutose-1,6-bisfosfato (inibio da fosfofrutoquinase pelo excesso de ATP)

3 - fosfoenolpiruvato a piruvato (inibio da piruvato quinase por ATP).

O piruvato formado segue um dos seus trs destinos: formao do etanol ou lactato (ambas so vias anaerbicas) ou a formao da Acetil-CoA (via aerbica - do Ciclo de Krebs). Os organismos mais desenvolvidos como o homem, transformam o piruvato em Acetil-CoA. As clulas musculares podem seguir a via do Acetil-CoA ou do Lactato, sendo que esta no h um grande saldo de ATP, por isso uma via utilizada em situaes de emergncia, como exerccios fsicos sem preparao.

REGULAO

A. Hexoquinase - Inibida pelo prprio produto Glicose-6-fosfato.

B. Fosfofrutoquinase - Principal enzima no controle da via glicoltica, altos nveis de ATP e

citrato exercem inibio. Outro agente a inibi-la H+. estimulada por frutose-6-

fosfato, AMP e ADP.

C. Piruvatoquinase - Controla o final da via que gera ATP e piruvato. O ATP e o acetil-CoA

a inibe.


CICLO DE KREBS

O piruvato produzido na gliclise ainda contm bastante poder redutor. Este poder redutor vai ser aproveitado pela clula no Ciclo de Krebs ou Ciclo do cido Ctrico, ocorrendo no interior mitocondrial. Em primeiro lugar, o piruvato utilizado para produzir acetil-CoA, que uma forma ativada de acetato.

Nesta reao intervm a piruvato desidrogenase. uma enzima bastante complexa, que contm bastantes cofatores: lipoamida, FAD, coenzima A. A hidrlise do acetil-CoA bastante exergnica, pelo que a sua formao exige energia. Essa energia provm da descarboxilao do piruvato A energia proveniente de descarboxilaes freqentemente usada pela clula para empurrar um equilbrio no sentido da formao de produtos.

Na primeira reao do ciclo de Krebs, o acetil-CoA adicionado a oxaloacetato, dando origem a citrato, numa reao de adio aldlica. A hidrlise do tioster ajuda a deslocar o equilbrio no sentido da formao de produtos:


O citrato depois isomerizado a isocitrato. Este ento descarboxilado a -cetoglutarato. Se o citrato no tivesse sido isomerizado a isocitrato antes da descarboxilao, esta produziria um composto de carbono ramificado, mais difcil de metabolizar.

Tal como o piruvato, o -cetoglutarato um -cetocido, i.e., possui um grupo carbonilo adjacente ao grupo cido carboxlico. , portanto de prever que reaja exatamente como o piruvato, i.e., que a sua descarboxilao fornea energia suficiente para que se forme uma ligao tioster com a coenzima A. A enzima responsvel por esta reao, a -cetoglutarato desidrogenase.

A ligao tioster do succinil-CoA bastante energtica. A sua hidrlise vai constituir o nico ponto do ciclo de Krebs onde ocorre produo direta de ATP (ou equivalente).


O succinato , tal como o oxaloacetato, um produto com quatro carbonos. A parte final do ciclo de Krebs consiste em regenerar o oxaloacetato a partir do succinato. O succinato primeiro oxidado a fumarato, pelo complexo succinato desidrogenase (tambm denominado complexo II), que se encontra na face matricial da membrana interna da mitocndria. A oxidao de ligao simples a dupla (alcanos a alcenos) tem um potencial demasiado elevado para que os eltrons possam ser aceites pelo NAD+. A clula utiliza, portanto FAD como aceitador destes eltrons. A hidratao do fumarato produz malato, que depois oxidado a oxaloacetato, completando o ciclo. Uma seqncia semelhante de reaes ocorre na -oxidao dos lipdeos.

O resultado do ciclo de Krebs portanto:

Acetil-CoA + oxaloacetato + 3 NAD+ + GDP + Pi +FAD oxaloacetato + 2 CO2 + FADH2 + 3 NADH + 3 H+ + GTP

Regulao

Piruvato desidrogenase Inibida pelos prprios produtos: acetil-CoA e NADH, estimulada pelo on clcio.

Citrato sintase Inibida pelo citrato, NADH e succinil-CoA.

Isocitrato desidrogenase e -cetoglutarato desidrogenase Inibidas por NADH e succinil-CoA e estimuladas por on clcio. A isocitrato desidrogenase tambm inibida por ATP e estimulada por ADP.


VIA DAS PENTOSES-FOSFATO:

Para realizar o seu anabolismo, a clula no precisa apenas de energia (ATP): tambm precisa ter poder redutor, sob a forma de NADPH. O NADPH produzido durante a oxidao da glicose-6-fosfato por uma via distinta da gliclise, a via das pentoses-fosfato ou desvio da hexose-monofosfato. Esta via muito ativa em tecidos envolvidos na biossntese de colesterol e de cidos gordos (fgado, tecido adiposo, crtex adrenal, glndulas mamrias). Esta via tambm produz ribose-5-P, o acar constituinte dos cidos nuclicos.

A glicose-6-fosfato primeiro oxidada no seu carbono 1, dando origem a uma lactona (um cido carboxlico cclico). Os eltrons libertados so utilizados para reduzir uma molcula de NADP+. O anel ento aberto por reao com gua:

A descarboxilao do gluconato liberta dois eltrons, que vo reduzir outra molcula de NADP+. Obtm-se assim um acar de 5 carbonos, a ribulose-5-fosfato, que por isomerizao transformado em ribose-5-P.


O que se passa a seguir depende das necessidades da clula: se a clula s precisar de NADPH e no precisar de ribose-5-P esta poder ser reaproveitada. Isto feito atravs de 3 reaes. Na primeira, a ribose-5-P recebe dois carbonos da xilulose-5-P (obtida por epimerizao da ribulose-5-P):

Seguidamente, so transferidos trs carbonos da sedoheptulose-7-P para o gliceraldedo-3-P:

Por transferncia de dois carbonos da xilulose-5-P para a eritrose-4-P, forma-se outra molcula de frutose-6-P e uma molcula de gliceraldedo-3-P:


O balano destas ltimas reaes :

2 xilulose-5-P + ribose-5-P -----> 2 frutose-6-P + gliceraldedo-3-P

A frutose-6-P e o gliceraldedo-3-P podem ser utilizados na gliclise para produo de energia, ou reciclados pela gliconeognese para formar novamente glicose-5-P. Neste ltimo caso, atravs de seis ciclos da via das pentoses-fosfato e da gliconeognese uma molcula de glicose-6-P pode ser completamente oxidada a seis molculas de CO2 com produo simultnea de 12 molculas de NADPH. Quando as necessidades de ribose-5-P so superiores s de NADPH, esta pode ser produzida por estas reaes a partir de frutose-6-P e gliceraldedo-3-P.

Regulao. O fluxo determinado pela velocidade da reao da glicose-6-fosfato-desidrogenase, que controlada pela disponibilidade de NADP+.

LIPDIOS

1. CONCEITO- Os lipdios constituem, juntamente com os carboidratos e protenas outra classe de substncias consideradas como alimento. Os seus representantes so

compostos bastante heterogneos, das mais variadas funes qumicas, que se

caracterizam pela insolubilidade em gua e solubilidade em solventes orgnicos (ter,

acetona, lcool, clorofrmio, etc.). Essa natureza hidrofbica conseqncia da

natureza qumica da molcula, que possui extensas cadeias de carbono e hidrognio,

lembrando muito os hidrocarbonetos. So considerados os mais energticos dos

alimentos devido a essas cadeias hidrocarbonetadas, apresentando o tomo de

carbono em estgio bastante reduzido, isto , com baixo nmero de oxidao, devido

ao baixo teor de oxignio na molcula.

AMINOACIDOS E PROTEINAS

1. CONCEITO - Como o nome indica, os aminocidos so compostos que carregam em suas molculas um grupo amino (de carter bsico) e um grupo carboxlico (de carter

cido). So eles as entidades que constituem as protenas, e o conhecimento de suas

estruturas se reveste de um particular interesse pelas propriedades que conferem

molcula protica que integram.


ENZIMAS

1. Uma peculiaridade interessante da clula viva a de permitir que em seu interior ocorram reaes complexas a uma velocidade razovel temperatura do meio. Tais

reaes no ocorreriam ou se processariam muito lentamente aquela temperatura, se

na ausncia da clula. Isso possvel devido presena de catalisadores biolgicos: as

enzimas ou biocatalizadores.

As enzimas so protenas sintetizadas pela prpria clula que aceleram reaes

termodinamicamente possveis, no alterando a constante de equilbrio (k) e nem a

variao de G. Como catalisadores operam em concentraes extremamente energia livre da reao (baixa em relao quantidade de substrato transformada).

Sendo uma protena, a enzima perde a sua atividade cataltica assim que desnaturada

(a enzima fica inativa). Outra propriedade das enzimas vem a ser a sua especificidade:

milhares de diferentes enzimas ocorrem no interior da clula.

2. MODALIDADE DE SE AUMENTAR A VELOCIDADE DE UMA REAO 2.1. Pelo Aumento da Temperatura: o aumento de temperatura causa um aumento

na energia cintica das molculas (Ec) tornando-as mais aptas a transpor a

barreira energtica estabelecida pela energia de ativao (Ea).

2.2. Pela Diminuio da Energia de Ativao: A energia de ativao uma quantidade de energia que deve ser fornecida s molculas reagentes, para

atingir o estado excitado e se iniciar a reao. Supe-se que as enzimas, como os

demais catalisadores, diminuam a energia de ativao requerida para que a

reao ocorra.

Grupo

Amino

Grupo

Carboxlico

Grupo Lateral

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