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5/25/2018 Livro BIOQUMICA BSICA.pdf

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VALTER T. MOTTA

BIOQUMICA BSICA

Introduo aoMetabolismo

Captulo

4


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4Introduo ao Metabolismo

Objetivos

1. Aplicar as leis da termodinmica s reaes bioqumicas.

2. Conceituar entalpia, entropia e energia livre.

3. Identificar o sentido de uma reao enzimtica em funo do valor da energialivre padro ou da constante de equilbrio qumico.

4. Descrever as reaes acopladas.

5. Conceituar os compostos ricos em energia.

6. Descrever as propriedades do ATP e seu papel no metabolismo.

7. Interrelacionar o anabolismo e catabolismo.

8. Discutir as estratgias intracelulares de regulao do metabolismo.

9. Discutir o controle extracelular do metabolismo em relao a influnciahormonal sobre o metabolismo celular.

10. Discutir a produo e o papel dos segundos mensageiros na transduo desinal.

11. Discutir o mecanismo de ao dos hormnios hidrofbicos.

Os processos fsicos e qumicos realizados pelas clulas vivasenvolvem a extrao, a canalizao e o consumo de energia. Osmamferos empregam energia qumica extrada das molculas denutrientes (carboidratos, protenas e lipdeos no-esterides) pararealizar suas funes. Os processos qumicos celulares so

organizados em forma de uma rede de reaes enzimticasinterligadas, nas quais, as biomolculas so quebradas e sintetizadascom a gerao e gasto de energia, respectivamente. Estorelacionadas com:

A energia liberada nos processos de quebra de molculasnutrientes orgnicos conservada na forma de ATP (trifosfato deadenosina) e NADPH (nicotinamida adenina dinucleotdeofosfato).


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104 MOTTA Bioqumica

Quadro 4.1 Fotossntese

Os processos fotossintticos utilizam a energialuminosa captada por molculas de clorofila parasintetizar carboidratos a partir do dixido de carbonoe gua. A clorofila e outros pigmentos das plantas

absorvem ftonsde limitados comprimentos de onda.Quando um fton absorvido pela clorofila, oseltrons passam por uma srie de transportadoresque promovem a sua excitao. A energia doseltrons excitados transformada em energiaqumica armazenada nas molculas de ATP eNADP H formados nas reaes de luz da fotossntese.O ATP e o NADH reduzem ento o CO 2 e oconvertem a 3-fosfoglicerato por uma srie dereaes no escuro (ciclo de Calvin). Formam-sehexoses a partir do 3-fosfoglicerato. As hexoses so

armazenadas nos vegetais em duas formasprincipais: amido e sacarose (acar de mesa).

A relao matemtica entre o comprimento deonda ( ), freqncia da radiao ( ) e energia dosftons, E,

E = hc/ = h

onde h a constante de P lanck (6,63 x 10-34

J s)e c a velocidade da luz no vcuo (2,998 x 10

8ms

-

1). As plantas utilizam a energia do sol para

transformar o dixido de carbono e gua em glicose(C6H12O6), oxignio e calor. A energia qumica armazenada na forma de ligaes, por exemplo, asligaes glicosdicas (1 4) entre os monmeros deglicose na celulose e nas ligaes entre os tomosda prpria glicose.

Biossntese de macromolculas a partir de precursores maissimples (unidades monomricas). cidos nuclicos, protenas,lipdeos e polissacardeos so sintetizados a partir denucleotdios, aminocidos, cidos graxos e monossacardios,respectivamente.

Transporte ativo de molculas e ons atravs das membranas emdireo contrria a gradientes de concentraes.

Movimento de clulas ou de suas partes componentes.

A demanda por energia e a formao de biomolculas variamconforme a natureza do organismo, do tipo de clula, do interior daclula, de seu estado nutricional e de seu estgio de desenvolvimento.A atividade metablica celular regulada de tal modo que asconcentraes dos compostos chave so mantidas dentro de estreitoslimites. Em clulas saudveis, a biossntese restaura, em velocidadeapropriada, os compostos consumidos. O balano atingido pelasntese de enzimas necessrias para a via ou, de modo mais imediato,pela regulao da atividade das enzimas j existentes.

4.1 Ciclo do carbono

A fonte primria de energia empregada pelos seres vivos a fusotermonuclear dos tomos de hidrognio para formar hlio que ocorrena superfcie solar de acordo com a equao: 4H 1He + 2 positrons+ energia. (Um positron uma partcula com a mesma massa de umeltron, mas com carga positiva). A energia radiante da luz solar(radiao eletromagntica) transportada para a Terra e convertidaem energia qumica por organismos fotoautotrficos(plantas verdes ecertos microorganismos) atravs da fotossntese. A energia qumica armazenada na forma de compostos ricos em energia comocarboidratos que so sintetizados pela transferncia de eltrons damolcula de gua para o CO2. Durante o processo, a maioria dosorganismos fotossintticos libera O2na atmosfera.

Os organismos heterotrficos, grupo que inclui os animais,diretamente ou indiretamente, obtm todo o material estrutural e a


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4 Introduo ao metabolismo 105

energia a partir de compostos orgnicos produzidos pelosfotoautotrficos. Os produtos da fotossntese so vitais para os

organismos aerbicos que no contm o aparato molecular para atransformao de energia da luz solar. Esses organismos obtmenergia por meio da oxidao de compostos orgnicos (carboidratos,lipdeos e protenas) e produzem, entre outros compostos, o CO2queretorna atmosfera para ser, subseqentemente, utilizado nafotossntese. Esse ciclo de eventos denominado ciclo do carbono.

4.2 Vias metablicas

As caractersticas dos organismos vivos sua organizao

complexa e sua capacidade de crescimento e reproduo so

resultantes de processos bioqumicos coordenados. O metabolismo asoma de todas as transformaes qumicas que ocorrem nosorganismos vivos. So milhares de reaes bioqumicas catalisadaspor enzimas. As funes bsicas do metabolismo celular so: (1)obteno e utilizao de energia, (2) sntese de molculas estruturaise funcionais, (3) crescimento e desenvolvimento celular e (4)remoo de produtos de excreo.

Conforme os princpios termodinmicos, o metabolismo dividido em duas partes:

1. Anabolismo. So os processos biossintticos a partir demolculas precursoras simples e pequenas. As vias anablicas soprocessos endergnicos e redutivos que necessitam de fornecimentode energia.

2. Catabolismo.So os processos de degradao das molculasorgnicas nutrientes e dos constituintes celulares que so convertidosem produtos mais simples com a liberao de energia. As viascatablicas so processos exergnicos e oxidativos.

O catabolismo ocorre em trs estgios:

Primeiro estgio: as molculas nutrientes complexas (protenas,carboidratos e lipdeos no esterides) so quebradas emunidades menores: aminocidos, monossacardeos e cidos graxosmais glicerol, respectivamente.

Segundo estgio: os produtos do primeiro estgio sotransformados em unidades simples como a acetil CoA (acetilcoenzima A) que exerce papel central no metabolismo.

Terceiro estgio:a acetil CoA oxidada no ciclo do cido ctrico

a CO2 enquanto as coenzimas NAD+ e FAD so reduzidas por

Nutriente

Produto de excreo

Catabolismo

ADP +Pi

ATP

Produto

Anabolismo

Precursor


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106 MOTTA Bioqumica

quatro pares de eltrons para formar trs NADH e um FADH2. Ascoenzimas reduzidas transferem seus eltrons para o O2 atravs

da cadeia mitocondrial transportadora de eltrons, produzindoH2O e ATP em um processo denominado fosforilao oxidativa.

Carboidratos

Hexoses

Acetil-CoA

Protenas

Aminocidos

Oxaloacetato

Lipdios

cidos Graxos

CitratoUria

Excreo

CO +H O2 2

Excreo

NH3

Piruvato-Cetocidos

-Cetoglutarato

Ciclo docido ctrico

Figura 4.1Viso geral do catabolismo. Aminocidos, hexoses e cidos graxos so formadospela hidrlise enzimtica de seus respectivos polmeros (protenas, carboidratos elipdeos). Os monmeros so desdobrados em intermedirios de dois e trs

carbonos, como o acetil CoA e o piruvato que, por sua vez, tambm so

precursores de outros compostos biolgicos. A completa degradao dessasmolculas produzem NH3, CO2, e H2O.

A energia livre liberada nas reaes catablicas (exergnicas) utilizada para realizar processos anablicos (endergnicos). Ocatabolismo e o anabolismo esto freqentemente acoplados por meiodo ATP (trifosfato de adenosina) e NADPH (nicotinamida adeninadinucleotdeo fosfato, forma reduzida). O ATP o doador de energialivre para os processos endergnicos. O NADPH o principal doadorde eltrons nas biossnteses redutoras.


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Produo de energia

CarboidratosLipdiosProtenas

Catabolismo

Utilizao de energia

ATP

NADP+ADP +Pi

Figura 4.2Relao entre a produo de energia e a utilizao de energia. ATP(trifosfato de adenosina), NADPH (nicotinamida adenina dinucleotdeofosfato, forma reduzida).

A capacidade dos organismos vivos em regular os processosmetablicos, apesar da variabilidade do meio interno e externo chamadahomeostase.

4.3 Termodinmica e metabolismo

O estudo dos efeitos da energia que acompanham as mudanasfsicas e qumicas sobre a matria conhecido como termodinmica.As leis da termodinmica so usadas para avaliar o fluxo e ointercambio de matria e energia. A bioenergtica, um ramo datermodinmica, o estudo de como as reaes metablicas produzeme utilizam energia nos seres vivos e especialmente til nadeterminao da direo e da extenso de cada reao bioqumica. Asreaes so afetadas por trs fatores. Dois deles, a entalpia (contedoem calor total) e a entropia (medida da desordem), esto relacionadoscom a primeira e segunda lei da termodinmica, respectivamente. Oterceiro fator, chamado energia livre (energia capaz de realizartrabalho til), derivada da relao matemtica entre entalpia e

entropia.As clulas dos organismos vivos operam como sistemas

isotrmicos (funcionam temperatura constante) que trocam energiae matria com o ambiente. Em termodinmica, um sistema tudo queest dentro de uma regio definida no espao (exemplo, umorganismo). A matria no restante do universo chamada de meiocircundante, circunvizinhana ou ambiente.Os organismos vivos sosistemas abertos que jamais esto em equilbrio com o meio ambiente.


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108 MOTTA Bioqumica

Quadro 4.2 Sistema e meio circundante

Os princpios de termodinmica esto baseados noconceito de um sistemae seu meio circundante. O sistemapode ser uma reao qumica, uma clula ou um organismopara os quais os meios circundantes so o solvente da

reao, o lquido extracelular (ou matriz) ou o meio ambienteno qual o organismo sobrevive, respectivamente. Trocas deenergia e/ou matria entre o sistema e o meio circundantedepende se o sistema fechado, isolado ou aberto. Em umsistema fechado, no h troca de matria ou energia entre osistema e o meio circundante.

No sistema isolado, somente energia pode ser trocadaentre o sistema e o meio circundante. No sistema aberto,ocorre troca de matria e energia com o meio circundante emas nunca est em equilbrio com o mesmo.

Os organismos vivos trocam matria (ex.: dixido decarbono e oxignio) e energia (derivada do metabolismo naforma de calor) com seu meio circundante. As clulas vivase os organismos so exemplos de sistemas abertos.

As leis da termodinmica descrevem as transformaes deenergia. As duas primeiras so especialmente teis na investigao

das mudanas nos sistemas vivos.1. Primeira lei da termodinmica. Em qualquer mudana fsica

ou qumica, a quantidade de energia total do sistema e seu meiocircundante permanece constante. Esta lei estipula que a energiapode ser convertida de uma forma para outra, mas no pode ser criadanem destruda. As clulas so capazes de interconverter energiaqumica, eletromagntica, mecnica e osmtica com grandeeficincia. Por exemplo, no msculo esqueltico, a energia qumicado ATP convertida em energia mecnica durante o processo decontrao muscular. importante reconhecer que a troca de energiade um sistema depende somente dos estado inicial e final e no domecanismo da equao.

2.Segunda lei da termodinmica. Para formular a segunda lei necessrio definir o termo entropia (do grego, en, dentro de + trope,curva). A entropia(S) a medida ou indicador do grau de desordemou casualidade de um sistema, ou a energia de um sistema que nopode ser utilizada para realizar trabalho til.A entropia definida em termos de nmero de arranjos possveis nasmolculas. A equao para a entropia

S =kBln W

Em que kB a constante de Boltzmann (1,381 1023mol1), ln

o logaritmo natural e W o nmero de arranjos na molcula. A S(entropia) dada em J K 1.

De acordo com a segunda lei,as reaes espontneas tendem a

progredir em direo ao equilbrio. Ao atingir o equilbrio, adesordem (entropia) a mxima possvel sob as condies existentes.A menos que o processo receba energia adicional de uma fonteexterna ao sistema, no ocorrer nenhuma outra mudanaespontaneamente.

A. Energia livre

Os organismos vivos necessitam de continuo aporte de energialivre para trs processos principais: (1) realizao de trabalhomecnico na contrao muscular e outros movimentos celulares, (2)transporte ativo de molculas e ons e (3) sntese de macromolculase outras biomolculas a partir de precursores simples.


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A energia livrede Gibbs (G) de um sistema a parte da energiatotal do sistema que est disponvel para realizar trabalho til, sob

temperatura e presso constantes. A variao de energia livre deGibbs ( G) nas condies existentes nos sistemas biolgicos descrita quantitativamente pela equao:

G= HT S

onde G a variao de energia livre de Gibbs que ocorre enquanto osistema se desloca de seu estado inicial para o equilbrio, sobtemperatura e presso constantes, H a variao de entalpia ou docontedo em calor do sistema reagente,Ta temperatura absoluta e Sa variao de entropia do sistema reagente. As unidades de Ge Hso joulesmol 1ou calorias mol 1(uma caloria igual a 4,184 J). Asvariaes da energia livre so acompanhadas pelas concomitantesmodificaes da entalpia e entropia.

Para a maioria dos casos, o valor de G obtido medindo-se avariao de energia livre dos estados inicial e final do processo:

G=G(produtos) G(reagentes)

O mecanismo de reao no afeta a G, ou seja, a variao deenergia independe da via pela qual ocorre a transformao. Avelocidade de uma reao depende do mecanismo da reao e estrelacionada com a energia livre de ativao ( G ) e no com avariao de energia livre ( G). Ou seja, a G no forneceinformaes sobre a velocidade da reao.

A variao de energia livre ( G) de um processo pode serpositiva, negativa ou zeroe indica a direo ou espontaneidade da

reao:Reaes de equilbrio. Os processos que apresentam Gigual 0,( G = 0, Keq= 1,0), no h fluxo em nenhuma direo de reao(as reaes nos dois sentidos so iguais).

Reaes exergnicas. So os processos que apresentam Gnegativo ( G < 0, Keq> 1,0) indicando que so energeticamentefavorveis e procedero espontaneamente at que o equilbrioseja alcanado.

Reaes endergnicas. So os processos que apresentam Gpositivo ( G > 0, Keq< 1,0) o que signif ica que h absoro deenergiae so no-espontneos (energeticamente no-favorveis).O processo ocorrer espontaneamente na direo inversa escrita.

B. Relao da Gcom a constante de equilbrio

Para uma reao em equilbrio qumico, o processo atinge umponto no qual, o sistema contm tanto produtos como reagentes.Assim, para a reao:

aA +bB cC +dD

onde a, b, ce dso os nmeros de molculas de A, B, C e D queparticipam da reao. O composto A reage com B at que asquantidades especficas de C e D sejam formadas. Assim, as

concentraes de A, B, C e D no mais se modificam, pois as


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110 MOTTA Bioqumica

velocidades das reaes em um ou outro sentido so exatamenteiguais. As concentraes dos reagentes e produtos no equilbrionas

reaes reversveis esto relacionadas pela constante de equilbrio,Keq:

ba

dc

eqBA

DCK

onde [A], [B], [C] e [D] so as concentraes molares doscomponentes da reao no ponto de equilbrio. A Keq varia com atemperatura.

A variao na energia livre real, G, de uma reao qumica emtemperatura e presso constantes est relacionada com a constante deequilbrio dessa reao e, portanto, dependem das concentraes dereagentes e produtos:

ba

dc

BA

DClnRTGG

G a variao de energia livre padro, quando todos osreagentes e produtos da reao esto no estado-padro: concentraoinicial de 1,0 M, temperatura de 25 C e presso de 1,0 atm. O R aconstante dos gases (8,315 J mol 1K 1), T a temperatura absolutaem graus Kelvin ( C + 273) e 1n o logaritmo natural. G umaconstante com valor caracterstico e invarivel para cada reao.

Como o valor de G zero, no existe variao lquida deenergia e a expresso reduzida

ba

dc

BA

DClnRTG0

A equao pode ser reescrita

G = RTln Keq

O 1n pode ser convertido em log na base 10, pela multiplicaopor 2,3. Ento

G = 2,3RT log Keq

Como a maioria das reaes bioqumicas ocorre in vivo em pH aoredor de 7,0, a variao de energia livre padro designada G coma incluso de apstrofo e nomeada linha. A relao quantitativa

entre G e a constante de equilbrio a 25 C apresentada na Tabela4.1.


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Tabela 4.1 Relao quantitativa entre os valores da constante de

equilbrio (Keq) e as variaes de energia livre padro ( G

) em pH 7,0 e250C

Keq G

(kJ mol

1) Direo da reao

1000 17,1 Ocorre de forma direta

100 11,4

10 5,7

1 0 Equilbrio

0,1 +5,7 Ocorre de forma inversa

0,01 +11,4

0,001 +17,1

Quando os reagentes e produtos esto presentes em concentraesiniciais de 1,0 M cada um e temperatura de 37 C, o clculo da energialivre padro dado por

,eq

' Klog3,2310315,8G

,eq

' Klog925.5G

A variao de energia livre real, G, observada para uma dadareao qumica, uma funo das concentraes e da temperaturaexistentes durante a reao. A 37 C tem-se:

reagentes

produtoslog925.5GG '

Os [produtos] e [reagentes] referem-se s concentraes iniciaisreais e no devem ser confundidas com as encontradas no equilbrioou em condies padro.

Sob condies apropriadas, a reao pode ser espontnea ( G


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112 MOTTA Bioqumica

C6H12O6+ 602 6CO2+ 6H2O G = 2870 kJ mol1

Em condies aerbicas, a energia liberada na reao acima utilizada na sntese de, aproximadamente, 32 molculas de ATP(trifosfato de adenosina) para cada molcula de glicose. O ATP umcarreador ou transportador de energia livre. Outros compostosfosforilados e tiosteres tambm tm grandes energias livre dehidrlise e, juntamente com o ATP, so denominados de compostos dealta energia (ou ricos em energia) (Tabela 4.1). Basicamente, a

energia livre liberada pela degradao de nutrientes convertida emcompostos de alta energia cuja hidrlise liberam energia livre

utilizadas pelas clulas para exercer suas funes.

Tabela 4.2 Valores da energia livre padro ( G ) de hidrlise de algunscompostos de alta energia.

Composto G (kJ mol-1)

Fosfoenolpiruvato -61,9

Carbamoil fosfato -51,4

1,3 Difosfoglicerato -49,3

Creatina fosfato -43,1

Acetil fosfato -42,2

Acetil CoA -31,4

ATP ( ADP + Pi) -30,5

ATP ( AMP + PPi) -32,2

Glicose 1 fosfato -20,9

Glicose 6 fosfato -13,8

Os valores negativos de G da hidrlise dos compostosapresentados na Tabela 4.2 so denominados de potencial detransferncia de grupos fosfato e so medidas da tendncia dosgrupos fosforilados em transferir seus grupos fosfato para a gua. Porexemplo, o ATP tem um potencial de transferncia de 30,5comparados com 13,8 para a glicose6fosfato. Isso significa que a

tendncia do ATP em transferir um grupo fosfato maior que o daglicose 6-fosfato.

Alguns autores representam as ligaes de alta energia pelo til

(~). Deve-se salientar, no entanto, que a energia no reside na ligaoespecfica hidrolisada mas

resulta dos produtos de reao que tmmenor contedo de energia livre que aquele dos reagentes.

A. Trifosfato de adenosina (ATP)

A energia livre liberada pelas reaes de degradao de molculascombustveis em processos exergnicos, conservada na forma deintermedirios de alta energia. O intermedirio central de alta

energia a trifosfato deadenosina(ATP) cuja hidrlise exergnicaimpulsiona processos endergnicos.

O ATP um nucleotdio formado por uma unidade de adenina,uma de ribose e trs grupos fosfato seqencialmente ligados por meiode uma ligao fosfoster seguida de duas ligaes fosfoanidrido. Asformas ativas do ATP e ADP esto complexadas com o Mg2+ou outrosons. Estrutura de ATP:


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As ligaes fosfoanidrido (fosfato oxignio) do ATP tem altaenergia livre de hidrlise. Ocorrem dois tipos de clivagem do ATP: aortofosfato (ATP ADP + Pi):

O

OH

CH2OP

O

O-

OP

O-

O

OP

O-

O

O-

OH

N

N

N

N

NH2

+ H2O

Trifosfato de adenosina (ATP)

O

OH

CH2OP

O

O-

OP

O-

O

O-

OH

N

N

N

N

NH2

+ OHPOH

O

O-

Difosfato de adenosina (ADP) Fosfato inorgnico (P i)

e a pirofosfato (ATP AMP + PPi):

H

HO

O

H H H

OH

O P O P O P O CH

O

2

N N

O

O

N

Adenosina

NH2

N

O

O O

AMP

ADP

ATP

Ligaesfosfoanidrido

Ligaofosfoster


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114 MOTTA Bioqumica

O

OH

CH2OP

O

O-

OP

O-

O

OP

O-

O

O-

OH

N

N

N

N

NH2

+ H2O

Trifosfato de adenosina (ATP)

O

OH

CH2OP

O

O-

O-

OH

N

N

N

N

NH2

+ OPO

-

O

OH P OH

O-

O

Adenosina monofosfato (AMP) Pirofosfato (PP i)

O elevado potencial de transferncia de grupos fosfato do ATP explicada por vrias razes:

Repulses eletrostticas mtuas. Na faixa de pH fisiolgico, oATP tem 4 cargas negativas (o ADP tem 3) que se repelemvigorosamente.Por hidrlise, o ATP produz ADP e Pique maisestvel pela reduo da repulso eletrosttica em relao ao ATP.Os ons Mg2+ neutralizam parcialmente as cargas negativas doATP tornando a sua hidrlise menos exergnica.

Estabilizao por ressonncia.Os produ tos de hidrlise do ATP o ADP ou o AMP so mais estveis que o ATP pela capacidade

de rapidamente oscilar entre diferentes estruturas. O ADP temmaior estabilidade por ressonncia da ligao fosfoanidro que oATP.

Energia de solvatao do anidrido fosfrico. A menor energia desolvatao do anidrido fosfrico quando comparada aos seusprodutos de hidrlise, fornece a fora termodinmica queimpulsiona a sua hidrlise.

A variao de energia livre ( G ) de hidrlise do ATP a ADP efosfato 30,5 kJ mol1 em condies padro (1,0 M para o ATP,ADP e Pi). Entretanto, intracelularmente, no so encontradasconcentraes padro e sim quantidades reais. Nessas condies, avariao de energia livre de hidrlise do ATP depende em parte daconcentrao dos reagentes e produtos na clula como tambm do pHe da fora inica. No entanto, para simplificar os clculos, serempregado o valor 30,5kJ mol1 para a hidrlise do ATP, mesmo

reconhecendo, que este um valor mnimo.


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Quadro 4.3 Creatina fosfato

A creatina fosfato tem energia livre padro de hidrlise43,1 kJ mol

-1, portanto, mais negativa que o ATP. O

msculo esqueltico dos vertebrados emprega acreatina fosfato como um veculo para o transporte deenergia da mitocndria para as miofibrilas. Quando aconcentrao mitocondrial de ATP est elevada (clula emrepouso), a enzima creatino cinase cataliza a fosforilaoreversvel da creatina pelo ATP. A creatina fosfatoresultante difunde da mitocndria para as miofibrilas onde aenzima creatino cinase opera na direotermodinamicamente favorvel para gerar ATP. Durante oexerccio muscular, quando o teor de ATP baixo, ocorre asntese de ATP a partir de creatina fosfato e de ADP.

Creatina-fosfato +ADP +H+ ATP +creatina

O msculo esqueltico em repouso possuicreatina fosfato suficiente para suprir as necessidades deenergia por alguns minutos. No entanto, sob condies demximo esforo, esse perodo reduzido para apenasalguns segundos.

Segundos Minutos Horas

ATP

Metabolismoanaerbico

Creatina-fosfato

Metabolismoaerbico

Fontes de ATP durante o exerccio. Nos segundosiniciais, o exerccio mantido pelos compostos fosforiladosde alta energia (ATP e creatina fosfato).Subsequentemente, o ATP regenerado pelas viasmetablicas.

O ATP pode ser regenerado por dois mecanismos:

Fosforilao ao nvel do substrato. a transferncia direta dogrupo fosfato (Pi) para o ADP (ou outro nucleosdeo 5difosfato)para formar ATP, empregando a energia livre proveniente deprocessos exergnicos.

Fosforilao oxidativa.O processo no qual os eltrons liberados

durante a oxidao de substratos (reaes de degradao) sotransferidos para a cadeia mitocondrial transportadora deeltronsatravs de coenzimas reduzidas (NADH e FADH2) para ooxignio molecular. A energia livre liberada promove a sntese deATP a partir de ADP e Pi. (Ver Captulo 8).

B. Outros nucleotdeos 5-trifosfatos

Outros nucleotdeos 5trifosfatos (NTPs) apresentam energia

livre de hidrlise equivalente ao ATP. Suas concentraesintracelulares so baixas o que restringe a sua funo. Vriosprocessos biossintticos, como a sntese de glicognio, protenas ecidos nuclicos necessitam de outros trifosfatos de nucleosdeos. A

enzima inespecfica nucleosdeo difosfato cinase catalisa a sntese(fosforilao) de NTPs (CTP, GTP, TTP, UTP) a partir do ATP e dosNDPs (nucleosdeos difosfatos) correspondentes:

ATP +NDP ADP + NTP

A energia livre padro liberada -218 kJ mol1 na transfernciade um par de eltrons do NADH at o oxignio molecular na cadeiarespiratria mitocondrial. A energia liberada suficiente parasintetizar trs ATP a partir de 3ADP e 3P i (3 x 30,5 = 91,5 kJ mol

1).


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116 MOTTA Bioqumica

4.5 Reaes acopladas

Reaes termodinamicamente desfavorveis so impulsionadaspor reaes exergnicas qual esto acopladas. As reaesexergnicas fornecem energia que dirigem as reaes endergnicas. Ainterconexo entre reaes endergnicas e exergnicas chamadaacoplamento.

Podem ocorrer duas formas de acoplamento:

1. Atravs de um intermedirio comum.A energia gerada poruma reao biolgica ou processo muitas vezes impulsiona umasegunda reao que no ocorre espontaneamente. O acoplamentopode ocorrer atravs de um intermedirio comum (B X):

A X + B A + B X

B X + C B + C XA soma das variaes de energia livre deve ser negativa para o

desenvolvimento das reaes. O fluxo de energia no metabolismo demuitas reaes est acoplado com o ATP que atua como intermediriocarreador de energia:

A Pi+ ADP A + ATP (espontnea)

ATP +C ADP + C Pi (no espontnea)

Assim, uma reao termodinamicamente desfavorvel(endergnica) torna-se altamente favorvel pelo acoplamento hidrlise de molculas de ATP.

2. Atravs da transferncia de grupos qumicos.Os carreadoresmais importantes so: (a)o ATP(e outros nucleosdeos 5trifosfatos)na transferncia de grupos fosfato; (b) tiosteres como a coenzima A(CoASH) que carreiam o grupo acetil na forma de acetil-CoA

produto comum do catabolismo de carboidratos, de cidos graxos e deaminocidos e de outros grupos acila; (c) o NAD(P)H quetransporta ons hidrognio e eltrons provenientes das reaes deoxidao (catablicas).

Resumo

1.Todos os organismos vivos necessitam de energia. Atravs dabioe nergt ica es tudo das tr ansforma es de energia a di reo e a

extenso pela qual as reaes bioqumicas so realizadas podem serdeterminadas. A entalpia (uma medida do contedo calrico) e a entropia(uma medida de desordem) esto relacionadas com a primeira e asegunda lei da termodinmica, respectivamente. A energia livre (a fraoda energia total disponvel para a realizao de trabalho) estrelacionada matematicamente com a entalpia e a entropia.

2. As transformaes de energia e calor ocorrem em um universocomposto de um sistema e de seu meio circundante. Em um sistemaaberto, matria e energia so intercambiveis entre o sistema e seu meiocircundante. O sistema denominado fechado quando a energia mas noa matria trocada com o meio circundante. Os organismos vivos sosistemas abertos.

3. A energia livre representa o mximo de trabalho til obtido em umprocesso. Processos exergnicos, onde a energia livre diminui ( G< 0)

so espontneos. Se a variao de enrgia livre positiva ( G < 0), o


16/85


processo chamado endergnico. Um sistema est em equilbrio quandoa variao de energia livre zero. A energia livre padro ( G )

definida para reaes a 25 C, presso de 1 atm e concentraes de 1 M.O pH padro na bioenergtica 7. A variao de energia livre padroG em pH 7 normalmente empregada nos textos bioqumicos.

4. A hidrlise do ATP fornece a maioria da energia livre necessria para osprocessos da vida.

Referncias

BLACKSTOCK, J . C, Biochemistry.Oxford: Butterworth, 1998. p. 164-91.

LEHNINGER , A. L. Princ pios de bioqumica.2 ed. So Paulo: Sarvier, 1995.p. 269-96.STRYE R, L. Bioqumica. 4 ed.Rio de J aneiro: Guanabara-Koogan, 1996. p.419-36.

VOET, D., VOET, J .G., PR ATT, C.W. Fundamentos de bioqumica. PortoAlegre: Artmed, 2000. p. 353-81.


17/85

VALTER T. MOTTA

BIOQUMICA BSICA

Carboidratos

Captulo

5


18/85

119

5Carboidratos

Objetivos

1. Classificar um monossacardeo por meio do nmero de carbonos de suamolcula.

2. Identificar se um monossacardeo pertence srie D ou L pela sua estruturaacclica.

3. Identificar os ismeros e na estrutura cclica dos monossacardeos.

4. Compreender a estrutura da glicose na sua forma monomrica e polimrica.

5. Identificar os tipos de ligaes existentes entre os monossacardeos nosoligossacardeos e polissacardeos.

6. Identificar as estruturas da maltose, sacarose e lactose, indicando-lhes anomenclatura.

Os carboidratos (glicdeos ou sacardeos) so as principais fontesalimentares para produo de energia alm de exercerem inmerasfunes estruturais e metablicas nos organismos vivos. Sosubstncias que contm carbono, hidrognio e oxignio de acordocom a frmula geral [CH2O]nonde n 3 e ocorrem como compostossimples e complexos. So poliidroxialdedos ou poliidroxicetonas, ouainda, substncias que por hidrlise formam aqueles compostos. Soclassificados como: monossacardeos, dissacardeos,oligossacardeos e polissacardeos de acordo com o nmero deunidades de acares simples que contm. Os carboidratos ligados

covalentemente a protenas e lipdeos so denominadosglicoconjugados e esto distribudos em todos os seres vivos, maisnotadamente entre os eucariontes. Alguns carboidratos (ribose edesoxirribose) fazem parte da estrutura dos nucleotdeos e dos cidosnuclicos.


19/85

120 Motta Bioqumica

Os carboidratos tambm participam de vrios processosbiolgicos como a transduo de sinal, interaes clula clula e

endocitose que envolvem tanto os glicoconjugados como asglicoprotenas, os glicolipdeos ou as molculas de carboidratoslivres.

5.1 Monossacardeos

Os monossacardeos (oses ou acares simples) so as unidadesbsicas dos carboidratos. So constitudos por uma unidade depoliidroxialdedo ou de poliidroxicetona contendo trs a nove tomosde carbono, sendo o principal combustvel para a maioria dos seresvivos. Os monossacardeos mais simples so as trioses(trs tomosde carbono): gliceraldedo e diidroxiacetona.

C1

C2

CH2OH3

O

OH

H

H

CH2OH1

C2

CH2OH3

O

Gliceraldedo Diidroxiacetona

Os monossacardeos so classificados de acordo com a naturezaqumica do grupo carbonila e pelo nmero de seus tomos decarbono. Os que tm grupos aldedicos so aldoses e os que tmgrupos cetnicos, formam as cetoses. Os monossacardeos com quatrotomos de carbono so denominados tetroses; com cinco, pentoses;com seis hexoses etc. Por exemplo, o gliceraldedo uma aldotriose e

a diidroxiacetona, uma cetotriose. De modo geral, diferenciam-se osnomes prprios das cetoses pela insero de ul aos nomes das aldosescorrespondentes, como, por exemplo, tetrulose, pentulose, hexuloseetc.

A. Configurao dos monossacardeos

Com exceo da diidroxiacetona, todos os monossacardeospossuem tomos de carbono assimtricos (quirais). Para ogliceraldedo, o C2 o centro assimtrico que origina doisestereoismeros: o D gliceraldedo e L gliceraldedo. Soenatimeros(imagens especulares) um do outro:

CHOC

CH2OH

H OH

CHOC

CH2OH

OH H

D-Gliceraldedo L-Gliceraldedo

As outras aldoses so srie De Lcom respeito ao D gliceraldedoe o L-gliceraldedo. Isto significa que todos os acares com a mesmaconfigurao do D gliceraldedo e, portanto, com a mesmaconfigurao no centro assimtrico mais afastado do grupo carbonila,so da srie D. As aldoses que representam a configurao do L-gliceraldedo so da srie L . O mesmo ocorre com as cetoses commais de quatro tomos de carbonos. Em geral, as molculas com n

centros assimtricos podem ter 2n

estereoismeros. As aldoses com


20/85

5 Carboidratos 121

seis carbonos tm quatro centros de assimetria e assim h 24 = 16estereoismeros possveis (oito na srie D e oito na srie L). As

Figuras 5.1 e 5.2 mostram as relaes estereoqumicas das D-aldosese D cetoses conhecidas como projees de Fisher. Nessas estruturas,o esqueleto dos carboidratos est orientado verticalmente com ocarbono mais oxidado geralmente no topo.

As aldoses e cetoses da srie Lso imagens especulares de seuscorrespondentes da srie D:

CHO

C

C

C

CCH2OH

OHH

HOH

OH

OH

H

H

CHO

C

C

C

CCH2OH

HOH

OHH

H

H

OH

OH

D-Glicose L-Glicose

As propriedades pticas dos monossacardeos so designadaspelos sinais (+), dextrorrotatria e ( ), levorrotatria.

Estereoismeros que no so enantimeros so chamadosdiastereoismeros. Os acares D ribose e D arabinose sodiastereoismeros por serem ismeros mas no imagens especulares.Os diastereoismeros que diferem na configurao ao redor de umnico C so denominados epmeros.A Dglicose e a Dgalactose soepmeros porque diferem somente na configurao do grupo OH no

C4. A Dmanose e a Dgalactose no so epmeros pois suasconfiguraes diferem em mais de um carbono.


21/85

122 Motta Bioqumica

C

CCH2OH

O

OH

H

H

DGliceraldedo

C

C

C

O

OH

H

H

CH2OH

H OH

C

C

C

O

H

H

OH

CH2OH

H OH

DEritrose DTreose

C

C

C

O

OH

H

H

C

CH2OH

H

H

OH

OH

C

C

C

O

H

H

OH

C

CH2OH

H

H

OH

OH

C

C

C

O

OH

H

H

C

CH2OH

H

OH

OH

H

C

C

C

O

H

H

OH

C

CH2OH

H

OH

OH

H

DRibose DArabinose DXilose DLixose

C

C

C

O

OH

H

H

C

C

H

H

OH

OH

CH2OH

H OH

C

C

C

O

H

H

OH

C

C

H

H

OH

OH

CH2OH

H OH

C

C

C

O

OH

H

H

C

C

H

OH

OH

H

CH2OH

H OH

C

C

C

O

H

H

OH

C

C

H

OH

OH

H

CH2OH

H OH

C

C

C

O

OH

H

H

C

C

OH

H

H

OH

CH2OH

H OH

C

C

C

O

H

H

OH

C

C

OH

H

H

OH

CH2OH

H OH

C

C

C

O

OH

H

H

C

C

OH

OH

H

H

CH2OH

H OH

C

C

C

O

H

H

OH

C

C

OH

OH

H

H

CH2OH

H OH

D-Alose DAltrose DGlicose DManose DGulose DIdose DGalactose DTalose

Figura 5.1Relaes estereoqumicas das D-aldoses com trs a seis tomos de carbono. As D-aldoses contm

grupamentos aldedo no C1 e tm a configurao do Dgliceraldedo no seu centro assimtrico mais afastado dogrupo carbonila. A configurao em torno do C2 distingue os membros de cada par.


22/85

5 Carboidratos 123

CH2OH

C

CH2OH

O

Diidroxiacetona

CH2OH

C

C

O

CH2OH

H OH

DEritrulose

CH2OH

C

C

O

C

H OH

CH2OH

H OH

CH2OH

C

C

O

C

OH H

CH2OH

H OH

DRibulose DXilulose

CH2OHC

C

O

C

H OH

C

H OH

CH2OH

H OH

CH2OHC

C

O

C

OH H

C

H OH

CH2OH

H OH

CH2OHC

C

O

C

H OH

C

OH H

CH2OH

H OH

CH2OHC

C

O

C

OH H

C

OH H

CH2OH

H OH

DPsicose DFrutose DSorbose DTagatose

Figura 5.2Relaes estereoqumicas das D-cetoses com trs a seis tomos de

carbono. As Dcetoses contm grupamentos cetnicos no C2 e tm a

configurao do D gliceraldedo no seu centro assimtrico mais afastado dogrupo carbonila. A configurao em torno do C3 distingue os membros decada par.

B. Ciclizao de monossacardeos

Em soluo aquosa menos de 1% das aldoses e cetoses seapresentam como estruturas de cadeia aberta (acclica) mostradas nasFiguras 5.1 e 5.2. Os monossacardeos com cinco ou mais tomos decarbono ciclizam-se, formando anis pela reao de grupos alcolicoscom os grupos carbonila dos aldedos e das cetonas para formarhemiacetais e hemicetais, respectivamente. A reao de ciclizaointramolecular torna os monossacardeos espcies mais estveis

Por ciclizao, os monossacardeos com mais de cinco tomos decarbono no apresentam o grupo carbonila livre, mas ligado


23/85

124 Motta Bioqumica

covalentemente com uma das hidroxilas presentes ao longo da suacadeia. O aldedo em C1 na forma em cadeia aberta da glicose reage

com a hidroxila em C5, produzindo um anel com seis tomos (5carbonos e 1 oxignio), denominado de piranose devido suaanalogia ao pirano. As aldopentoses (ribose) e cetohexoses (frutose)formam anis pentagonais (4 carbonos e 1 oxignio) chamados defuranose em analogia com o furano (Figura 5.3 e 5.4).

As estruturas piranose e furanose so hexgonos e pentgonosregulares conhecidas como frmulas em perspectiva de Haworth. Oanel heterocclico representado perpendicular ao plano do papel,enquanto os grupos presentes nas frmulas lineares direita esto

projetados abaixo do plano do anel e os que esto esquerda ficam

acima. Ocorrem excees, como a observada com o H do C5 que

est abaixo do plano do anel devido toro necessria para fech-lo.


24/85

5 Carboidratos 125

Figura 5.3Ciclizao da D-glicose com formao de duas estruturas cclicas deglicopiranose. A projeo de Fisher (no alto esquerda) rearranjada em umarepresentao tridimensional (no alto direita). A rotao da ligao entre C4 e C5aproxima o grupo hidroxila em C5 do grupo aldedo em C1 para formar uma ligaohemiacetal, produzindo dois estereoismeros, os anmeros e que diferem naposio da hidroxila do C1 (no anmero o grupo OH representado para baixo eno anmero o grupo OH representado para cima). As formas glicopiranosdicasso mostradas como projeo de Haworth, nas quais as ligaes mais escuras doanel so projetadas frente do plano do papel e as ligaes mais claras do anelso projetadas para trs.

O carbono carbonila (C1 das aldoses ou o C2 das cetoses) do

monossacardeo cclico designado carbono anomrico e constitui

H

OH

H

CH OH

H

OH

2

HO OH

H

OH

14

- -Glicopiranose(Projeo de )

DHaworth

C

H

O

C

HOH

H OH

C

C

H

HO

CH

CH OH2

OH

4 1

3 2

6

H

O

C

HOH

H OH

C

C

H

HO

C

CH OH2

H

41

3 2

6

5H

ou

O

C

H+

5

H

OH

H

CH OH

H

OH

2

HO OH

OH

H

14

5

- -Glicopiranose(Projeo de Haworth)

D

ou

C

H C OH

H O

H C OH

HO C H

CH OH2

H C OH

1

2

3

4

5

6

D-Glicose(Projeo de Fisher)


25/85

126 Motta Bioqumica

um centro de assimetria adicional com duas configuraes possveis.No caso da glicose, as duas formas resultantes so D glicose e

Dglicose (Figu ra 5.3). No anmero , o grupo OH ligado aocarbono anomrico (C1) est abaixo do plano do anel; no anmeroest projetado acima do plano do anel. As formas e soanmeras.

Quando em soluo aquosa, a Dglicose e Dglicose seinterconvertem livremente para atingir uma mistura de equilbrio quecontm 63,6% do anmero , 36,4% do anmero e 1% da formaaberta linear. A interconverso detectada por alteraes na rotaoptica e chamada mutarrotao. Esse fenmeno tambm observado em outras pentoses e hexoses.

Nas estruturas cclicas dos monossacardeos os tomos decarbono anomricos (C1 nas aldoses e C2 nas cetoses) sosusceptveis de oxidao por vrios agentes oxidantes contendo ons

cpricos (Cu2+), como as solues de Fehling ou Benedict. Assim, osmonossacardeos com tomos de carbonos anomricos livres, sodesignados acares redutores; os envolvidos por ligaesglicosdicas, so chamados acares noredutores.

Os monossacardeos como a frutose e a ribose ciclizam-se paraformar estruturas furanscas.

CH2OH1

C2

C3

C4

C5

CH2

OH6

OH H

H

H

OH

OH

O

O

C2

C3C5

C4H

CH2OH6

OH

OH

H

H

OH

CH2OH1

O

C

C

C

CH

CH2OH

OH

OH

H

H

CH2OH

OH

D Frutose D Frutose D Frutose

C1

C2

C3

C4

CH2OH5

H OH

H

H

OH

OH

OH

O

C1

C2C4

C3H

CH2OH5

OH

H

OH

H

OH

H

O

C

C

C

CH

CH2OH

OH

H

OH

H

H

OH

D Ribose D Ribofuranose D Ribofuranose

Figura 5.4Cicli zao da frutose e da ribose


26/85

5 Carboidratos 127

Tanto as hexoses como as pentoses podem assumir as formas depiranose ou de furanose nas frmulas em perpectiva de Haworth. No

entanto, o anel da piranose pode assumir uma corformao de cadeiraou de barco:

C. Derivados de monossacardeos

Os acares simples podem ser convertidos em compostosqumicos derivados. Muitos deles so componentes metablicos eestruturais dos seres vivos.

1. cidos urnicos.Os cidos urnicos so formados quando ogrupo terminal CH2OH dos monossacardeos so oxidados. Doiscidos urnicos so importantes nos mamferos: o cidod glicurnico e seu epmero, o cido L idurnico. Nos hepatcitos, ocido glicurnico combina-se com molculas de esterides, certos

frmacos e bilirrubina (um produto de degradao da hemoglobina)para aumentar a solubilidade em gua. O processo permite a remoode produtos do corpo. Tanto o cido glicurnico como o cido Lidurnico so carboidratos abundantes no tecido conjuntivo.

CC

CC

OCH

OHOH

OH

OHH

H

H

COOH

H

CC

CC

OCH

OH

OH

OH

OHH

H

H

H

COOH

cido -D-glicurnico cido -L-idurnico

2.Aminoacares.Nos aminoacares um grupo hidroxila (maiscomumente no carbono 2) substitudo por um grupo amino. Essescompostos so constituintes comuns dos carboidratos complexosencontrados associados a lipdeos e protenas celulares. Os maisfreqentes so: a D glicosamina e a D galactosamina. Osaminoacares muitas vezes esto acetilados. O cidoN acetilneuramnico (a forma mais comum de cido silico) umproduto de condensao da N-acetilmanosamina e do cido pirvico.Os cidos silicos so cetoses contendo nove tomos de carbonos quepodem ser amidados com cido actico ou glicoltico (cidohidroxiactico). So componentes das glicoprotenas e glicolipdeos.

OH

H

OH

H

CH OH

H

OH

OH

2

HO

Projeo de haworth

6

4 1

3 2

5

H

H

OH

HO 4

12

H

O

H

CH OH26

5

HO

H3

H

OH

H

OH

HO 4 1

2

H

O

H

CH OH26

5

HO

H3

H

HO

2

Conformao de cadeira Conformao de barco


27/85

128 Motta Bioqumica

CC

CC

OCHH

OH

OH

OH

NH2H

H

H

CH2OH

CC

CC

OCHOH

H

OH

OH

NH2H

H

H

CH2OH

D Glicosamina D Galactosamina

COOH

C

C

C

C

C

C

C

CH2OH

O

H H

H OH

HNHCCH3

O

HOH

OH

OH

H

H

cido silico (cido N acetilneuramnico)

3. Desoxiacares. Nos desoxiacares um grupo OH substitudo por H. Dois importantes desoxiacares encontrados nasclulas so: a L fucose (formado a partir da D manose por reaes dereduo) e a 2 desoxi D ribose. A fucose encontrada nasglicoprotenas que determinam os antgenos do sistema ABO degrupos sangneos na superfcie dos eritrcitos. A desoxirribose

componente do DNA.

CC

CC

OCH

OH

H

OH

HOH

OH

H

H

CH3

O

C

C

C

CH

CH2OH

OH

H

H

H

H

OH

-L-Fucose -D-Desoxirribose

5.2 Dissacardeos e oligossacardeos

Quando ligados entre si por uma ligao O glicosdica, (formadapor um grupo hidroxila de uma molcula de acar com o tomo decarbono anomrico de outra molcula de acar) os monossacardeosformam uma grande variedade de molculas. Os dissacardeos soglicosdeos compostos por dois monossacardeos (como a maltose, alactose e a sacarose). Os ol igossacardeos so polmerosrelativamente pequenos que consistem de dois a dez (ou mais)monossacardeos. Os tomos de carbonos anomricos quandoparticipantes de ligaes glicosdicas no so oxidados pelos onscpricos.


28/85

5 Carboidratos 129

A. Dissacardeos

1. Maltose.A maltose obtida de hidrlise do amido e consistede dois resduos de glicose em uma ligao glicosdica (1 4) ondeo C1 de uma glicose liga-se ao C4 de outra glicose. O segundoresduo de glicose da maltose contm um tomo de carbonoanomrico livre (C1), capaz de existir na forma ou piranosdica,sendo assim, um acar redutor, alm de apresentar atividade ptica(mutarrotao).

O

OH

OH

OH

CH2OH

O

OH

OH

CH2OH

OHO

1 4

Maltose, ligao (1 4)

A isomaltose um dissacardio onde a ligao formada entre oC1 de um resduo de glicose e o C6 de outra, constituindo umaligao glicosdica (1 6). A isomaltose tambm contm tomo decarbono anomrico livre.

O

OH

OH

OH

CH2

O

OH

OH

OH

CH2OH

H

O

1

6

Isomaltose, ligao (1 6)

2. Sacarose. A sacarose (acar comum extrado da cana) constituda pela unio de uma -D-glicose com a D frutose, pelaligao glicosdica , (1 2) indicando que a ligao ocorre entre oscarbonos anomricos de cada acar (C1 na glicose e C2 na frutose).A sacarose um acar no-redutor por no ter terminao redutoralivre. No apresenta, tambm, atividade ptica (mutarrotao), poisno contm carbono anomrico livre.

3. L actose.A lactose encontrada apenas no leite, sendo formada

pela unio do C1 da D galactose com o C4 da D glicose, numa

OH

H

OH

H

CH OH

H

OH

H

2

HO H

OH

OHOCH

HO

H

H

O

2

CH OH2

Glicose Frutose

6

4 1 2 5

6

3 2 3 4

1

Sacarose

( ) ( )

5


29/85

130 Motta Bioqumica

ligao glicosdica (1 4). Apresenta mutarrotao e capacidaderedutora por possuir carbono anomrico livre na glicose.

O

OH

OH

OH

CH2OH

O

OH

OH

CH2OH

OH

O1 4

Lactose, ligao (1 4)

B. Oligossacardeos

Os oligossacardeos so pequenos polmeros muitas vezesencontrados ligados a polipeptdeos e a glicolipdeos. Existem duasclasses de oligossacardeos: os

Nligados e os

Oligados. Os

oligossacardeos N ligados esto unidos a polipeptdeos por umaligao N glicosdica com o grupo amino da cadeia lateral doaminocido asparagina. Os oligossacardeos O ligados esto unidospelo grupo hidroxila da cadeia lateral do aminocido serina outreonina nas cadeias polipeptdicas ou pelo grupo hidroxila doslipdeos de membrana.

5.3 Polissacardeos

Os polissacardeos(ou glicanos) so formados por longas cadeiasde unidades de monossacardeos unidas entre si por ligaesglicosdicas. So insolveis em gua e no tem sabor nem poder

redutor. So classificados como:Homopolissacardeos (homoglicanos) contm apenas um nicotipo de monossacardeo, por exemplo, amido, glicognio ecelulose.

Heteropolissacardeos(heteroglicanos) contm dois ou mais tiposdiferentes de monossacardeos, por exemplo, cido hialurnico,condroitina sulfato, dermatana sulfato e heparina.

A. Homopolissacardeos

So polmeros de carboidratos formados apenas por um nico tipode monossacardeo.

1. Amido. O amido um homopolissacardeo depositado noscloroplastos das clulas vegetais como grnulos insolveis. a formade armazenamento de glicose nas plantas e empregado comocombustvel pelas clulas do organismo. constitudo por umamistura de dois tipos de polmeros da glicose:

Amilose. So polmeros de cadeias longas de resduos deD glicose unidos por ligaes glicosdicas (1 4).


30/85

5 Carboidratos 131

Amilopectina. uma estrutura altamente ramificada formada porresduos de D glicose unidos por ligaes glicosdicas

(1 4), mas, tambm, por vrias ligaes (1 6) nos pontos deramificao, que ocorrem entre cada 24-30 resduos. Essespolmeros tm tantas extremidades no-redutoras quantasramificaes, porm apenas uma extremidade redutora.

2. Glicognio. a mais importante forma de polissacardio dereserva da glicose das clulas animais. A estrutura do glicognioassemelha-se da amilopectina, exceto pelo maior nmero de

ramificaes que ocorrem em intervalos de 8 12 resduos de glicose(na amilopectina os intervalos das ramificaes so de 24-30 resduosde glicose). Essa estrutura altamente ramificada, torna suas unidadesde glicose mais facilmente mobilizveis em perodos de necessidademetablica. O glicognio est presente principalmente no msculoesqueltico e no fgado, onde ocorre na forma de grnuloscitoplasmticos.

OH

H

OHH

CH OH

H

OH

H

2

O

Glicose

-Amilose

OH

H

OHH

CH OH

H

OH

H

2

O

Glicose n

OH

H

OH

H

CH OH

H

OH

H

2

O

O

CH2

OH

H

OH

H

H

OH

O O

Amilopectina

(1 6) ponto deramificao

H


31/85

132 Motta Bioqumica

Tabela 5.1 Comparao da amilose, amilopectina e glicognio

Amilose Amilopectina Glicognio

Unidades monomricas D-glicose D-glicose D-glicose

Peso molecular 4.000 500.000 50.000 16 x 106 50.000 n x 106

Tipo de polmero L inear Ramif icado Ramificado

Pontos de ramificao 24 30 resduos de glicose 8 12 resduos de glicose

Ligaes glicosdicas (1 4) (1 4), (1 6) (1 4), (1 6)

3. Celulose. uma seqncia linear de unidades de D glicoseunidas por ligaes glicosdicas (1 4). o principal componentedas paredes celulares nos vegetais e um dos compostos orgnicos

mais abundantes na biosfera. A hidrlise parcial da celulose produz odissacardio redutor celobiose:

Os vertebrados no tm celulases e, portanto, no podemhidrolisar as ligaes (1 4) da celulose presentes na madeira efibras vegetais. Entretanto, alguns herbvoros contm microrganismosprodutores de celulases, razo pela qual podem digerir celulose.

4.Quitina. o principal componente estrutural do exoesqueletode invertebrados como insetos e crustceos. A quitina constituda deresduos de N acetilglicosamina em ligaes (1 4) e forma longascadeias retas que exerce papel estrutural. Se diferencia quimicamenteda celulose quanto ao substituinte em C2, que um grupamentoamina acetilado em lugar de uma hidroxila.

OH

H

OH

H

CH OH

H

OH

H

2

O

Glicose Glicose

Celulose

OH

H

OH

H

CH OH

H

OH

H

2

O

n


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5 Carboidratos 133

B. Heteropolissacardeos

So polmeros de carboidratos formados por mais de um tipo decarboidratos. Os principais exemplos so os glicosaminoglicanos e ospeptdeoglicanos.

1. Glicosaminoglicanos (GAG). So polissacardeos linearesconstitudos por resduos repetitivos de dissacardeos de cidournico(geralmente o cido D glicurnico ou o cido L idurnico) ede N acetilglicosamina ou N acetilgalactosamina. Em algunsglicosaminoglicanos uma ou mais das hidroxilas do acar aminadoesto esterificadas com sulfatos. Os grupos carboxilato e os grupossulfato contribuem para a alta densidade de cargas negativas dosglicosaminoglicanos. Tanto a carga eltrica como a estruturamacromolecular, colabora para o seu papel biolgico de lubrificar emanter tecido conjuntivo. Esses compostos formam solues de altaviscosidade e elasticidade pela absoro de grandes quantidades degua. Atuam assim, na estabilizao e suporte dos elementos fibrosose celulares dos tecidos, tambm como contribuem na manuteno doequilbrio da gua e sal do organismo.

CC

CC

OCHH

OH

OH

OH

NHH

H

H

CH2OH

C CH3O

CC

CC

OCHOH

H

OH

OH

NHH

H

H

CH2OH

C CH3O

N Acetil D glicosamina N Acetil D galactosamina

Na sntese dos glicosaminoglicanos, os grupos sulfato sointroduzidos em posies especficas da cadeia polissacardica porum doador de sulfato ativo, o 3 fosfoadenosilfosfosulfato(PAPS) emreao catalisada por sulfotransferases.

Os glicosaminoglicanos esto presentes nos espaosextracelulares como uma matriz gelatinosa que embebem o colgeno eoutras protenas, particularmente nos tecidos conjuntivos (cartilagens,

tendes, pele, parede de vasos sangneos). O glicosaminoglicano

H

OH

H

CH OH

H

NH

2

1

3

O

6

4

5

2

OH

C O

CH3

H

CH OH

H

H

H

4 1HOH

NH

C O

CH3

3 2

5H

O

O

62

O

H

OH

H

CH OH

H

NH

2

1

3

6

4

5

2

OH

C O

CH3

H

O

H


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134 Motta Bioqumica

heparina no est presente no tecido conjuntivo, mas ocorre comogrnulos nas clulas das paredes arteriais e tem funo anticoagulante

inibe a coagulao evitando a formao de cogulos.

Tabela 5.2 Estrutura dos principais dissacardeos repetidos de alguns glicosaminoglicanos damatriz extracelular

Princ ipais dissacardeos repetidos

Glicosaminoglicanos

Componente 1Ligao

glicosdica

Componente 2

Ligaoglicosdica

Hialuronato D Glicuronato (1 3) N Acetilglicosamina (1 4)

Condroitina sulfato D Glicuronato (1 3) N Acetilgalactosamina (1 4)

Dermatana sulfato L Iduronato (1 3) N Acetilgalactosamina (1 4)

Queratona sulfato D Galactose (1 4) N Acetilglicosamina (1 3)

Vrias enfermidades genticas denominadas mucopolissacaridosesso causadas por defeitos no metabolismo dos glicosaminoglicanos.As desordens so caracterizadas pelo acmulo nos tecidos e aexcreo na urina de produtos oligossacardicos derivados do seudesdobramento incompleto, devido a deficincia de uma ou maishidrolases lisossomais (Tabela 5.3).

Tabela 5.3 Enfermidades genticas envolvendo o metabolismo dosglicosaminoglicanos (mucopolissacaridoses).

Sndrome e sinais clnicos Enzima deficiente P rodutosacumulados

Hurler: defeitos sseos,retardamento mental,embaamento da crnea, morteprematura

L Iduronidase Dermatana sulfato

Heparana sulfato

Scheie: embaamento da crnea,articulaes rgidas

L Iduronidase Dermatana sulfato

Heparana sulfato

Hunter: semelhante aos de Hurlersem efeitos sobre a crnea

Iduronatosulfatase Heparana sulfato

Dermatana sulfato

Sanfilippo A: grave retardamentomental

Heparan sulfatase Heparana sulfato

Sanfilippo B: defeitos sseos,

retardamento psicomotor

N Acetilglicosaminidase Heparana sulfato

Maroteaux-Lamy: graves defeitosesquelticos

N Acetilgalactosaminasulfatase

Dermatana sulfato

Morquio: defeitos graves dosossos, da crnea

Galactosamina sulfatase Queratana sulfato

Condroitina sulfato

Sly: retardamento mental D Glicuronidase Dermatana sulfato

Heparana sulfato

DiFerrante: retardamento mental Glicosamina 6 sulfatosulfatase

Queratan sulfato

Heparana sulfato

2. Peptideoglicanos (murenas).As paredes celulares de muitasbactrias so formadas por peptdeosglicanos, que so cadeias de


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136 Motta Bioqumica

5.4 Glicoconjugados

Os compostos que resultam da ligao covalente de molculas decarboidratos s protenas e aos lipdeos so coletivamentedenominados glicoconjugados. Exercem efeitos profundos nasfunes celulares e tambm como mediadores para interaesespecficas clula-clula de organismos multicelulares. H duasclasses de conjugados carboidratos-protenas: as glicoprotenase osproteoglicanos.

A. Glicoprotenas

As glicoprotenas so protenas conjugadas que possuem comogrupos prostticos um ou vrios oligosacardeos formando uma sriede unidades repetidas e ligadas covalentemente a uma protena. Essadefinio exclui os proteoglicanos que sero descritosposteriormente.

OH

H

OH

H

CH OH

H H

2

O

H

OH

H

CH OH

H

NHCOCH

2

O

3

H

H C CH C O3

NH

CH CH3C O

NH

CH COO

CH

CH

C O

NH

2

2

CH (CH ) NH

C ONH

CH CH

COO

3

2 4 3+

L-Ala

Isoglutamato

L-Lys

D-Ala

O

NHCOCH3

Peptideoglicano

N-Acetilglicosamina cido- -AcetilmurmicoN


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5 Carboidratos 137

A ligao covalente entre os acares e a cadeia peptdica aparte central da estrutura das glicoprotenas. As principais so: (1)

ligaes N glicosdicas entre a N acetilglicosamina (GlcNAc) e oaminocido asparagina (Asn), (2) ligaes O glicosdicas entre aN acetilgalactosamina (GalNAc) e o grupo OH da serina (Ser) outreonina (Thr).

As glicoprotenas so molculas constituintes da maioria dosorganismos vivos. Ocorrem nas clulas na forma solvel ou ligada smembranas, e nos lquidos extracelulares. Os vertebrados soparticularmente ricos em glicoprotenas. Exemplos dessas substnciasincluem a protena transferrina (transportadora de ferro), aceruloplasmina (transportadora de cobre), fatores da coagulaosangnea e muitos componentes do complemento (protenasenvolvidas em reaes do sistema imune). Vrios hormnios soglicoprotenas, por exemplo, o hormnio folculo estimulante (FSH),

produzido pela hipfise anterior que estimula o desenvolvimento dosovrios na mulher e a espermatognese no homem. A lm disso,muitas enzimas so glicoprotenas. A ribonuclease (RNase), a enzimaque degrada o cido ribonuclico, um exemplo bem estudado.Outras glicoprotenas so protenas integrais de membrana. Entreelas, a (Na+ K+) ATPase (protena que bombeia Na+para fora e K+para dentro da clula) e o complexo de histocompatibilidade principal(MHC) (marcador da superfcie celular externa que reconhece osantgenos proticos dos hospedeiros) so exemplos especialmenteinteressantes..

As molculas de protenas so protegidas da desnaturao empresena de glicoprotenas. Por exemplo, a RNase A bovina maissusceptvel a desnaturao pelo calor que sua contrapartida

glicosilada, a RNase B. Vrios estudos tm demonstrado que asglicoprotenas ricas em acares so relativamente resistentes protelise (quebra de polipeptdeos por reaes hidrolticascatalisadas por enzimas). Como o carboidrato est sobre a superfcieda molcula, pode formar uma cpsula envolvendo a cadeiapolipeptdica das enzimas proteolticas.

Os carboidratos nas glicoprotenas parecem afetar a funobiolgica. Em algumas glicoprotenas, essa funo mais facilmentediscernida que em outras. Por exemplo, o elevado contedo deresduos de cido silico responsvel pela alta viscosidade dasmucinas salivares (as glicoprotenas lubrificantes da saliva). Outroexemplo so as glicoprotenas anticongelamento dos peixes daAntrtica. Aparentemente, os resduos dissacardicos formam pontes

de hidrognio com as molculas de gua. O processo retarda aformao de cristais de gelo.

As glicoprotenas tambm so importantes como mediadores paraos eventos clula-molcula, clula-vrus e clula-clula. Um dosexemplos do envolvimento glicoprotico nas interaes clula-molcula incluem o receptor de insulina, o qual liga a insulina parafacilitar o transporte de glicose para o interior de numerosas clulas.Em parte, isso realizado pelo recrutamento de transportadores deglicose para a membrana plasmtica. Alm disso, o transportador deglicose que atua no deslocamento da glicose para dentro da clulatambm uma glicoprotena. A interao entre gp120, a glicoprotenaligadora na clula-alvo do vrus da imunodeficincia humana (HIV, oagente causador da AIDS) e as clulas hospedeiras um exemplo da

interao clula vrus. O acoplamento do gp120 ao receptor CD4


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138 Motta Bioqumica

(glicoprotena transmembrana) encontrado na superfcie de vriosclulas hospedeiras considerada a primeira etapa no processo

infeccioso.As glicoprotenas estruturais da clula, componentes doglicoclix, exercem papel fundamental na adeso celular. O processo um evento crtico nas interaes do crescimento e diferenciaoclula-clula. As substncias denominadas molculas de adesocelular(CAMs) esto envolvidas no desenvolvimento embrionrio dosistema nervoso do rato. Os resduos de cido silico nosoligossacardeos N ligados de vrias CAMs so importantes nessefenmeno.

Atualmente, o contedo de carboidratos nas glicoprotenas estsendo empregado na investigao de processos normais como odesenvolvimento de nervos e de certos processos patolgicos. Porexemplo, as variaes nos contedos de galactose nos anticorpos IgG

esto diretamente relacionadas com a severidade (o grau deinflamao) da artrite juvenil. Alm disso, a distribuio doscarboidratos de superfcie em clulas cancerosas pode contribuir noprocesso diagnstico de tumores e metstases.

B. Proteoglicanos

Os proteoglicanos so macromolculas presentes na matrizextracelular, constitudas pala unio covalente e no-covalente deprotenas e glicosaminoglicanos (GAG). As cadeias GAG estoligadas s protenas por ligaes N e O glicosdicas. Sosubstncias polianinicas formadas por cadeias de unidadesdiolosdicas repetidas como a queratona sulfato e o

condroitina sulfato que esto covalentemente ligadas ao esqueletopolipeptdico chamado protena central. Essas protenas esto ligadasno-covalentemente a um longo filamento de cido hialurnico. Acartilagem, que formada por uma rede de fibrilas de colgenopreenchida por proteoglicanos, pode amortecer foras compressivasporque esses polianons so altamente hidratados e expulsam a guadurante a compresso. Quando a cessa a presso, a gua retorna aosproteoglicanos que voltam a ter a estrutura inicial.


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5 Carboidratos 139

Figura 5.5Estrutura do proteoglicano.Existem vrias protenas centrais ligadas de modo no-covalente

ao filamento central de cido hialurnico.

Resumo

1.Os carboidratos, as molculas mais abundantes na natureza, soclassificados como monossacardeos, dissacardeos, oligossacardeos epolissacardeos de acordo com o nmero de unidades de acar quecontm. Os carboidratos tambm ocorrem como componentes de outrasbiomolculas. Glicoconjugados so molculas de protenas e lipdeoscovalentemente ligados a grupos carboidratos. Incluem proteoglicanos,glicoprotenas e glicolipdeos.

2.Os monossacardeos com grupos funcionais aldedo so aldoses; aqueles

com grupos cetona so cetoses. Acares simples pertencem faml ia DeL , de acordo com a configurao do carbono assimtrico mais distantedos grupos funcionais aldedo e cetona semelhantes ao De L ismero dogliceraldedo. A famlia D contm os acares biologicamente maisimportantes.

3.Acares que contm cinco ou seis carbonos existem nas formas cclicasque resultam da reao entre grupos hidroxila e aldedo (produtohemiacetal) ou grupos cetonas (produto hemicetal). Tanto nos anis comcinco membros (furanoses) como os anis com seis membros (piranoses),o grupo hidroxi la ligado ao carbono anomrico est abaixo ( ) ou acima( ) do plano do anel. A interconverso espontnea entre as formas e chamada mutarrotao.

4.Os acares simples sofrem vrios tipos de raes qumicas. Derivados

dessas molculas, como os cidos urnicos, aminoacares,

Oligossacardeos -ligadosN

Queratona sulfato

Condroitina sulfato

Protena central

cido hialurnico


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140 Motta Bioqumica

desoxiacares e acares fosforilados, exercem importantes papis nometabolismo celular.

5.Hemiacetais e hemicetais reagem com lcoois para formar acetais e cetais,respectivamente. Quando a forma cclica hemiacetal ou hemicetal de ummonossacardeo reage com um lcool, a nova ligao denominadaligao glicosdica, e o composto chamado glicosdeo.

6.As ligaes glicosdicas so formadas entre o carbono anomrico de ummonossacardeo e um dos grupos hidroxila livre de outromonossacardeo. Dissacardeos so carboidratos compostos de doismonossacardeos. Os oligossacardeos, carboidratos que contm at 10unidades de monossacardeos, esto muitas vezes ligados a protenas elipdeos. As molculas de polissacardeos so compostas de grandenmero de unidades de monossacardeos, tem estrutura linear como acelulose e amilose ou estrutura ramificada como o glicognio eamilopectina. Os polissacardeos podem ser formados por um nico tipo

de acar (homopolissacardeos) ou tipos mltiplos(heteropolissacardeos).

7.Os trs homopolissacardeos mais comuns encontrados na natureza(amido, glicognio e celulose) fornecem D-glicose quando sohidrolizados. A celulose um material estrutural das plantas; amido eglicognio so formas de armazenamento de glicose nos vegetais eclulas animais, respectivamente. A quitina, o principal compostoestrutural dos exoesqueletos dos insetos, composta de resduos deN acetil glicosamina ligados a carbonos no-ramif icados. Osglicosaminoglicanos, os principais componentes dos proteoglicanos, emurena, um constituinte fundamental das paredes das clulasbacterianas, so exemplos de heteropolissacardeos, polmeros decarboidratos que contm mais de um tipo de monossacardeo.

8.A enorme heterogeneidade dos proteoglicanos, que so encontradospredominantemente na matriz extracelular dos tecidos, exercem diversos,mas ainda no totalmente entendidos, papis nos organismos vivos. Asglicoprotenas ocorrem nas clulas, tanto na forma solvel como naforma ligada membrana, e em lquidos extracelulares. Devido a suaestrutura diversificada, os glicoconjugados, que incluem osproteoglicanos, glicoprotenas e glicolipdeos, exercem importantesfunes na transferncia de informaes nos seres vivos.

Referncias

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VOET, D., VOET, J .G., PR ATT, C.W. Fundamentos de bioqumica. PortoAlegre: Artmed, 2000. p. 195-218.


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143

6Metabolismo dos Carboidratos

Objetivos

1. Descrever a digesto e absoro dos carboidratos

2. Descrever a seqncia as reaes da gliclise, incluindo seus substratos,produtos e co-fatores.

3. Calcular o balano energtico da transformao de 1 mol de glicose em 2 molde lactato (gliclise anaerbica).

4. Explicar como a relao [ATP]/[ADP] pode controlar a velocidade da gliclise.

5. Descrever a formao do glicognio (glicognese)

6. Descrever a degradao do glicognio (glicogenlise).

7. Reconhecer a ao da adrenalina e do glucagon no metabolismo doglicognio.

8. Descrever o papel fisiolgico do efeito controle do AMPc sobre o metabolismodos carboidratos.

9. Descrever a gliconeognese a partir do lactato, alanina e glicerol.

10. Descrever a via pentose-fosfato.

11. Explicar como a galactose, a frutose e a manose so utilizadas para aproduo de energia.

Os carboidratos, as biomolculas mais abundantes na natureza,so as fontes universais de nutrientes para as clulas humanas. Aglicose o carboidrato mais importante. Nas clulas, a glicose degradada ou armazenada por diferentes vias. A gliclise transformaa glicose em duas molculas de piruvato (ou lactato) posteriormente,degradado para a produo de energia. O glicognio, a forma de

armazenamento da glicose nos mamferos, sintetizado pelaglicognese.As reaes da glicogenlisedesdobram o glicognio emglicose. tambm possvel sintetizar glicose a partir de precursoresno carboidratos pelo mecanismo chamado gliconeognese. A viadas pentoses fosfato converte a glicose em ribose 5 fosfato (oacar utilizado para a sntese dos nucleotdeos e cidos nuclicos) eoutros tipos de monossacardeos. O NADPH, um importante agenteredutor celular, tambm produzido por essa via.

A sntese e o uso da glicose, o principal combustvel da maioriados organismos, o foco de discusso do metabolismo dos


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144 Motta Bioqumica

carboidratos. Nos vertebrados, a glicose transportada atravs docorpo pelo sangue. Quando as reservas de energia celular estobaixas, a glicose degradada pela via glicoltica. As molculas deglicose no necessrias para a imediata produo de energia, soarmazenadas como glicognio no fgado e msculo. Dependendo dasnecessidades metablicas da clula, a glicose pode tambm serempregada para sintetizar outros monossacardeos, cidos graxos ecertos aminocidos.

6.1 Digesto e absoro dos carboidratos

Os principais carboidratos da dieta so: o amido, a sacarose e alactose. O glicognio, a maltose, a glicose livre e a frutose livreconstituem fraes relativamente menores de carboidratos ingeridos.

A absoro dos carboidratos pelas clulas do intestino delgado realizada aps hidrlise dos dissacardeos, oligossacardeos epolissacardeos em seus componentes monossacardeos. As quebrasocorrem seqencialmente em diferentes segmentos do tratogastrointestinal por reaes enzimticas:

1. -Amilase salivar. A digesto do amido inicia durante amastigao pela ao -amilase salivar (ptialina) que hidrolisa asligaes glicosdicas (1 4), com a liberao de maltose eoligossacardeos. Contudo, a -amilase salivar no contribuisignificativamente para a hidrlise dos polissacardeos, devido aobreve contato entre a enzima e o substrato. Ao atingir o estmago, a

enzima inativada pelo baixo pH gstrico.2. -Amilase pancretica. O amido e o glicognio so

hidrolisados no duodeno em presena da -amilase pancretica queproduz maltose como produto principal e oligossacardeos chamadosdextrinas contendo em mdia oito unidades de glicose com uma ou

mais ligaes glicosdicas (1 6). Certa quantidade de isomaltose(dissacardeo) tambm formada.

Amido (ou glicognio) Amilase maltose + dextrina

3. Enzimas da superfcie intestinal. A hidrlise final da maltosee dextrina realizada pela maltase e a dextrinase, presentes nasuperfcie das clulas epiteliais do intestino delgado. Outras enzimas

tambm atuam na superfcie das clulas intestinais: a isomaltase, quehidrolisa as ligaes (1 6) da isomaltose, asacarase, que hidrolisaas ligaes , (1 2) da sacarose em glicose e frutose, a lactasequefornece glicose e galactose pela hidrolise das ligaes (1 4) dalactose.

Maltose +H2OMaltase 2 D glicose

Dextrina + H2ODextrinase n D glicose

Isomaltose + H2OIsomaltase 2 D glicose

Sacarose + H2OSacarase D-frutose +D glicose

Lactose + H2O Lactase D-galactose +D glicose

Intolerncia lactose

Alguns grupos populacionaisapresentam carncia de lactasena idade adulta. A deficinciadessa enzima impede a hidrliseda lactose que se acumula nolmem intestinal. A grandepresso osmtica exercida pelalactose no-absorvida promoveum influxo de gua para ointestino. A lactose degradadapela ao bacteriana, forma vrioscidos com a liberao de dixidode carbono. A combinao dessesefeitos provoca distenso

abdominal, clicas, nusea ediarria. Essa condio conhecida como intolerncia `alactose.


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6 Metabolismo dos carboidratos 145

Quadro 6.1 Diabete melito

O diabete melito (DM) uma sndrome deetiologia mltipla, decorrente da falta de insulinae/ou da incapacidade da insulina de exerceradequadamente seus efeitos. Caracteriza-se porhiperglicemia crnica com distrbios do metabolismo

dos carboidratos, lipdeos e protenas.Pacientes portadores de episdios

hiperglicmicos, quando no tratados, desenvolvemcetoacidose ou coma hiperosmolar. Com o progressoda doena aumenta o risco de desenvolvercomplicaes crnicas, tais como: retinopatia,angiopatia, doena renal, neuropatia, proteinria,infeco, hiperlipemia e doena aterosclertica.

Diabetes melito tipo 1 (imuno-mediado). Resulta

primariamente da destruio das clulaspancreticas e tem tendncia a cetoacidose. Inclui

casos decorrentes de doena auto-imune e aquelesnos quais a causa da destruio das clulas no

conhecida. O tipo 1 compreende 5-10% de todos oscasos de diabetes melito. Pacientes com

DM tipo 1 acredita-se ter susceptibilidadegentica no desenvolvimento do diabetes. Aexposio a um desencadeador (viral, ambiental,toxina) estimula a destruio imunologicamentemediada das clulas . A hiperglicemia est presentequando 80-90% das clulas esto destrudas.

Diabetes melito tipo 2. Resulta, em geral, degraus variveis de resistncia insulina e deficinciarelativa de secreo de insulina. A maioria dospacientes tem excesso de peso e a cetoacidoseocorre apenas em situaes especiais, como durante

infeces graves. Ao redor de 80-90% de todos oscasos de diabetes correspondem a esse tipo. Ocorre,em geral, em indivduos obesos com mais de 40anos, de forma lenta e com histria familiar dediabetes. Os pacientes apresentam sintomasmoderados e no so dependentes de insulina paraprevenir cetonria. Nesses casos os nveis de

insulina podem ser: normais, diminudos ouaumentados.

A captao de monossacardeos do lmen para a clula intestinal efetuada por dois mecanismos:

Transporte passivo (difuso facil itada). O movimento da glicose

est a favor do gradiente de concentrao (de umcompartimento de maior concentrao de glicose para umcompartimento de menor concentrao). A difuso facilitada mediada por um sistema de transporte de monossacardeos dotipo Na+ independente. O mecanismo tem alta especificidadepara D frutose.

Transporte ativo. A glicose captada do lmen para a clulaepitelial do intestino por um co transportadorNa+ monossacardeo (SGLT). um processo ativo indireto cujomecanismo envolve a (Na+ K+) ATPase(bomba de (Na+ K+),que remove o Na+ da clula, em troca de K+, com a hidrliseconcomitante de ATP (ver Captulo 9: seo 9.4.D). O mecanismo

tem alta especificidade por D glicose e D galactose.

Figura 6.1

Captao da glicose por transporte ativo

Lmem Capilar

GlicoseGlicose

Glicose

Na+ Na+

ATP

Na+

K+

ADPK+


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146 Motta Bioqumica

Aps a absoro, a glicose no sangue aumenta e as clulas dasilhotas pancreticas secretam insulina que estimula a captao deglicose principalmente pelos tecidos adiposo e muscular. O fgado, ocrebro e os eritrcitos, no necessitam de insulina para captao deglicose por suas clulas (tecidos insulino independentes). Outroshormnios e enzimas, alm de vrios mecanismos de controle, soimportantes na regulao da glicemia.

6.2 Gliclise

A gliclise (do grego, glykos, doce e lysis, romper), tambmchamada via de Embden Meyerhof Parnas, a via central do

catabolismo da glicose em uma seqncia de dez reaes enzimticasque ocorrem no citosol de todas as clulas humanas. Cada molculade glicose convertida em duas molculas de piruvato, cada umacom trs tomos de carbonos em processo no qual vrios tomos decarbono so oxidados. Parte da energia livre liberada da glicose conservada na forma de ATP e de NADH. Compreende dois estgios:

Primeiro estgio (fase preparatria).Compreendem cinco reaesnas quais a glicose fosforilada por dois ATP e convertida emduas molculas de gliceraldedo 3 fosfato.

Segundo estgio (fase de pagamento). As duas molculas degliceraldedo 3 fosfato so oxidadas pelo NAD+ e fosforiladasem reao que emprega o fosfato inorgnico. O resultado lquido

do processo total de gliclise a formao de 2 ATP, 2 NADH e 2piruvato, s custas de uma molcula de glicose. A equao geralda gliclise :

Gl icose + 2 ADP + 2 Pi+ 2 NAD+

2 piruvato + 2 NADH + 2 H++ 2 ATP + 2 H2O

Em condies de baixo suprimento de oxignio (hipxia) ou emclulas sem mitocndrias, o produto final da gliclise o lactato eno o piruvato, em processo denominado gliclise anaerbica:

Gl icose + 2 ADP + 2 Pi 2 lactato + 2 ATP +2 H2O

Quando o suprimento de oxignio adequado, o piruvato

transformado em acetil CoA nas mitocndrias. O grupo acetil daacetil CoA totalmente oxidado no ciclo do cido ctrico com aformao de duas molculas de CO2(ver Captulo 7).

A. Reaes da glicl ise

Todas as reaes da gliclise com formao de piruvato (oulactato) so catalisadas por enzimas presentes no citoplasma (Figura6.2). Para cada molcula de glicose so consumidas duas molculasde ATP no primeiro estgio e no segundo estgio so produzidasquatro ATP e 2 NADH. Os eltrons oriundos da reoxidao do NADHem NAD+em condies aerbicas, so transferidos para o oxigniomolecular na cadeia mitocondrial transportadora de eltrons que


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libera a energia livre para a sntese de ATP pela fosforilaooxidativa (ver Captulo 8).

Figura 6.2Reaes da gliclise.

1. Sntese de glicose 6 fosfato (G6P). Na primeira reao dagliclise, a glicose ativada por fosforilao no grupo hidroxila em

Glicose

Glicose-6-fosfato

HexocinaseGlicocinase

ATP

ADP

P

Glicose-6-fosfatase

Glicosefosfato-isomerase

ATP

ADP

Frutose-6-fosfato

Fosfofrutocinase

Frutose-1,6-difosfatase

Frutose-1,6-difosfato

Aldolase

Gliceraldedo-3-fosfato Diidroxiacetona-fosfatoTriose-fosfato-isomerase

NADH

NAD+Gliceraldedo3-fosfato-desidrogenase

1,3-Bifosfoglicerato (2)ADP

ATPFosfoglicerato-cinase

2

23-Fosfoglicerato (2)

Fosfoglicerato-mutase

2-Fosfoglicerato (2)

Enolase

Fosfoenolpiruvato (2)ADP

ATPPiruvato-cinase

2

2

2Piruvato (2)

Lactato-desidrogenase

NADH

NAD+

Lactato (2)

i

Pi

Pi

2

2

2


45/85

148 Motta Bioqumica

C6 com a formao de glicose 6 fosfato pela transferncia de umgrupo fosfato do ATP em reao irreversvel catalisada pelahexocinase em presena de ons magnsio que interage com as cargasnegativas dos grupos fosfato para formar o complexo MgATP2-. Ahexocinase inibida alostericamente pelo produto da reao, aglicose 6 fosfato.

A glicose eletricamente neutra, mas quando fosforilada, torna-se um composto carregado negativamente e hidroflico, que impede asua transferncia atravs da membrana celular, confinado-a na clula.A hexocinase tambm catalisa a fosforilao de outras hexoses(Quadro 6.2)

A glicose livre obtida a partir da hidrlise da glicose-6-fosfatopela enzima glicose 6 fosfatasee pode ser transportada pelo sanguepara os rgos perifricos:

Glicose 6 fosfato +H2O

fosfatase6ecosGli glicose + Pi

A glicose livre formada nessa hidrlise de grande importnciapara a manuteno dos nveis de glicemia pelo fgado, na ltima

etapa da gliconeognese e da glicogenlise. A reao no regenera oATP.

OH

H

OH

H

CH

H

OH

2

HOOH

H

O P O P O P O Adenosina

O

O

O

O

O

O

Mg2+

MgATP2

OH

6Hexocinase

Glicose

OH

H

OH

H

CH

H

OH

2

HOOH

H

O P O

O

O

6

Glicose-6-fosfato

O P O P O Adenosina

O

O

O

O

Mg2+

MgADP


46/85


Quadro 6.2 Hexocinase e glicocinase

A enzima hexocinase cataliza a fosforilao dediferentes monossacardios de seis carbonos, como a D-glicose, Dmanose, D-frutose e D-glicosamina.

Diferentes isoenzimas (protenas que catalisam amesma reao) da hexocinase esto presentes em vrios

tecidos de mamferos. Cada isoenzima exibe propriedadescinticas diferentes. As clulas hepticas (hepatcitos) demamferos tambm contm glicocinase (tambm chamadahexocinase tipo IV) que difere das isoenzimas do msculoesqueltico. A ao cataltica da glicocinase est restrita aD-glicose e a D-manose e tem um Km de ~10mM para aglicose. Essa enzima requer, portanto, nveis bem maiselevados de glicose para a sua atividade mxima (o Km dasoutras isoenzimas ~0,1 mM). A glicocinase no inibidapela glicose-6-fosfato, mas pelo seu ismero, a frutose-6-fosfato e mediada por uma protena reguladora.

Em alguns microorganismos e invertebrados, existeuma glicocinase diferente formado por um grupo deisoenzimas especficas para glicose. Nesses organismos, a

glicocinase catalisa a reao inicial da gliclise.

A glicose eletricamente neutra, mas quandofosforilada, apresenta uma carga negativa queimpede a sua transferncia atravs da membranacelular, confinado-a na clula. A hexocinase tambmcatalisa a fosforilao de outras hexoses (ver Quadrolateral

As clulas do fgado contm glicocinase (ouhexocinase IV) que tambm catalisa a fosforilao daglicose a glicose 6 fosfato. Essa enzima no inibida pelos teores elevados da glicose 6 fosfato eatua quando a concentrao de glicose sangnea

estiver acima dos teores fisiolgicos normais, como,por exemplo, aps uma refeio rica emcarboidratos. Desse modo, o fgado atua como umtampo de glicose sangnea, pois capta o excesso

de glicose circulante independente da concentrao

de glicose 6 fosfato, tornando possvel oarmazenamento de glicose sob a forma de glicognioou cidos graxos. A glicocinase ativada pelainsulina e, assim, sua atividade deficiente nosestados de desnutrio e no diabete melito.

Figura 6.3Diferenas na velocidade de fosforilao das enzimas hexocinase e glicocinase em relao concentrao deglicose.

Concentrao da glicose (mmol/L)

1.0Hexocinase

Glicocinase


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150 Motta Bioqumica

Quadro 6.3 Destino da glicose 6 fosfato

A glicose-6-fosfato um importanteintermedirio central para vrias rotas metablicas.

A via alternativa predominante depende do estadometablico do organismo e varia em diferentescondies.

Figura 6.4Destinos da glicose-6-fosfato. A glicose-6-fosfato pode ser usada como: (1) combustvel pelo metabolismoanaerbico ou aerbico, por exemplo, no msculo; (2) ser convertida em glicose livre no fgado e, subsequentemente,

liberada para o sangue; (3) ser processada pela via das pentoses-fosfato para gerar NADH ou ribose em vriostecidos; (4) formar compostos de grande importncia metablica.

2. Converso da glicose-6-fosfato em frutose 6 fosfato (F6P).A isomerizao reversvel da glicose 6 fosfato em frutose 6 fosfato catalisada pela fosfoglicose isomerase. A aldose(glicose 6 fosfato) convertida em cetose (frutose 6 fosfato). Ooxignio carbonlico se deslocou do C1 para o C2:

O

OH

OH

OH

CH2OPO3

OH

O

CH2OPO3

OH

OH

OH

CH2OH

2- 2-

3. Fosforilao da frutose 6 fosfato em frutose 1,6 bifosfato(FBP). A fosfofrutocinase 1 (PFK 1) catalisa irreversivelmente atransferncia do grupo fosfato do ATP para o C1 da frutose 6 fosfatocom a formao de frutose 1,6 bifosfato:

Glicose-6-fosfato

Glicose-1-fosfato

Glicognio cidos urnicos

Glicoprotenas

Glicosamina-6-fosfato

Frutose-6-fosfato Gliclise

Gliconolactona-6-fosfato

Glicose

Fosfataseheptica

Via das pentoses-fosfato


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O

CH2OPO3

OH

OH

OH

CH2OH

+O

CH2OPO3

OH

OH

OH

CH2OPO3

+ ADP

2-

2+

2-

2-

ATP (Mg )

A fosfofrutocinase 1 a principal enzima reguladora da gliclisenos msculos. A atividade da enzima modulada em presena deativadores ou inibidores alostricos (Quadro 6.1).

Quadro 6.1 Principais efetores alostricos da fosfofrutocinase-1.

Efetores positivos (ativadores) Efetores negativos (inibidores)

Frutose 1,6 bifosfato ATP

Frutose 2,6 bifosfato NADH

ADP CitratoAMP cidos graxos de cadeia longaFosfato H+K+ Ca+

A frutose 2,6 bifosfato um potente ativador alostrico daatividade da fosfofrutocinase 1 (PFK 1) heptica e sintetizada apartir da frutose 6 fosfato pela ao da fosfofrutocinase 2 (PFK 2)em resposta a sinais hormonais correlacionados com os nveis d

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