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Introdução ao Metabolismo
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Metabolismo
Relacionamento energético entre as vias catabólicas e as vias anabólicas
Nutrientes que
liberam energia
Macromoléculas
celulares
Carboidratos
Gorduras
Proteínas
Proteínas
Polissacarídeos
Lipídios
Ácidos nucléicos
Catabolismo
Catabolismo
Energia
química
ATP
NADPH
Anabolismo
Anabolismo
Produtos finais
pobres em energia
Moléculas
Precursoras
CO2
H 2O
NH3
Aminoácidos
Açúcares
Ácidos graxos
Bases nitrogenadas
O termo metabolismo é
utilizado para se referir a
soma de todas as reações
químicas que ocorrem em um
organismo vivo.
Uma vez que as reações
químicas liberam ou necessitam
de energia, o metabolismo pode
ser visto como uma ação de
balanceamento de energia.
Desta forma, o metabolismo
pode ser dividido em duas
classes de reações químicas:
aquelas que liberam energia e
aquelas que requerem energia.
As vias catabólicas liberam energia química na forma de ATP e de NADH (ou NADPH), que são
utilizados, nas vias anabólicas (biossintéticas), para converter moléculas precursoras pequenas em
macromoléculas celulares.
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Variação de energia livre em reações metabólicas
Embora se diga, de uma maneira geral, que as reações catabólicas tendem a liberar energia
e as reações anabólicas tendem a consumir energia, de fato, todas as reações na célula
ocorrem com uma diminuição resultante na energia livre,
livre isto é, ∆G é sempre menor do que
zero.
Em uma célula, estas reações não são isoladas, mas sim unidas, de modo que a energia livre
de uma reação termodinamicamente favorável pode ser transferida a uma segunda reação
desfavorável para permitir que ela ocorra.
A variação padrão de energia livre para a reação, ∆Go, é uma constante para uma reação
particular. Pode ser um valor positivo ou negativo e indica se a reação ocorre
espontaneamente (∆Go < 0) ou não (∆Go >0).
Uma reação bioquímica pode inicialmente parecer ser proibitiva, porque sua variação de
energia livre é maior do que zero. Contudo, a reação pode ocorrer quando está acoplada a
uma segunda reação cujo valor de ∆G seja muito grande e negativo, de modo que a variação
resultante na energia livre para as reações combinadas é ainda menor do que zero.
O ATP está frequentemente envolvido em tais reações acopladas, porque suas reações
podem liberar uma grande quantidade de energia.
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Adenosina Trifosfato (ATP)
O ATP é um composto de potencial energético elevado formado à custa da energia liberada
no catabolismo e que se constitui numa reserva energética na célula.
Quando a energia é necessária para as reações de síntese, a ruptura de uma ligação entre
dois grupos fosforilo, num número suficiente de moléculas de ATP, libera essa quantidade
de energia.
A molécula apresenta três ligações P-O:
Uma ligação fosfoéster, cuja hidrólise é
acompanhada de uma variação de energia livre
padrão, ∆Go = - 2,5 kcal.mol-1, correspondente à
reação
AMP + H2O → Adenosina + Pi
Duas ligações fosfoanidrido ou pirofosfato,
cuja hidrólise é acompanhada por uma grande
diminuição de energia livre, ∆Go = - 7,5 kcal.mol-1,
para cada uma das reações.
ATP + H2O → ADP + Pi
ADP + H2O → AMP + Pi
Observação: adenosina = adenina + ribose; AMP = adenosina monofosfato; ADP = adenosina difosfato;
ATP = adenosina trifosfato; 1 cal = 4,184 J.
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Papel do ATP em uma reação acoplada
A fosforilação da glicose por fosfato inorgânico (HPO42- ou Pi) é termodinamicamente
desfavorável (∆Go’ = + 13,8 kJ.mol-1):
-
CH2OPO32
CH2OH
H
C
HO
C
H
O
OH
C
H
C
H
OH
H
H
C
OH
C
+ Pi
HO
C
H
O
OH
C
H
C
H
OH
H
C
OH
+ H2 O
A hidrólise do ATP é uma reação espontânea (∆Go’ = - 30,5 kJ.mol-1 ou – 7,3 kcal.mol-1):
ATP + H2O
ADP + Pi
Quando as duas reações são combinadas, os valores de ∆Go’ são adicionados:
Glicose
Glicose ++ Pi
Pi
ATP
ATP ++ H
H22O
O
Glicose
Glicose ++ ATP
ATP
glicose-6-fosfato
glicose-6-fosfato ++ H
H22O
O
ADP
ADP ++ Pi
Pi
glicose-6-fosfato
glicose-6-fosfato ++ ADP
ADP
(∆G
(∆Goo’’ == +13,8
+13,8 kJ
kJ .mol
.mol-1-1))
(∆G
(∆Goo’’ == -30,5
-30,5 kJ
kJ .mol
.mol-1-1))
(∆G
(∆Goo’’ == -16,7
-16,7 kJ
kJ .mol
.mol-1-1))
Portanto, a reação global para a fosforilação da glicose é termodinamicamente favorável.
Na célula, esta reação é catalisada pela enzima hexoquinase e uma fosforila é transferida
do ATP diretamente para a glicose.
Observação: O ATP não é realmente hidrolisado. Contudo, escrevendo as duas reações acopladas fica
mais fácil de visualizar o que acontece termodinamicamente.
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Formação de ATP
O ATP é formado nos organismos vivos por fosforilação do ADP, acoplada com reações de
oxidação que fornecem a energia necessária.
As fosforilações oxidativas ocorrem nas transferências de elétrons pela cadeia
respiratória das células aeróbicas (onde o oxigênio é o aceptor final de elétrons, isto é, o
oxidante), ou na fase luminosa da fotossíntese (fotofosforilação), que permite a
conversão da energia luminosa em energia química. Estes dois processos têm lugar,
respectivamente, nas mitocôndrias e nos cloroplastos.
A fosforilação do ADP em ATP ocorre também, sem a interferência do oxigênio, em
processo denominado fosforilação no nível de substrato.
Observação:
Guanosina Trifosfato ou GTP difere do ATP
por conter guanina como base nitrogenada
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Co-fatores reduzidos
Em geral, o catabolismo de aminoácidos, oses e ácidos graxos é um processo de oxidação
(oxidação é a perda de elétrons).
Por exemplo, os grupamentos metileno (-CH2-) saturado (reduzido) de um ácido graxo são
eventualmente liberados como CO2, no qual o carbono é totalmente oxidado.
Ao contrário, a síntese de aminoácidos, oses e ácidos graxos a partir de precursores
ainda menores é geralmente um processo de redução (redução é o ganho de elétrons).
As reações de oxidorredução envolvem a transferência de elétrons (simbolizados por e-),
de modo que, quando um composto é oxidado e doa os seus elétrons, um outro composto é
reduzido quando aceita os elétrons.
Quando um nutriente é oxidado, seus elétrons são colhidos por uma coenzima:
Nutriente
(reduzido)
Co-fator
(oxidado)
O termo co-fator inclui coenzimas, assim como, íons metálicos
que são essencias para algumas atividades enzimáticas
eNutriente
(oxidado)
Uma coenzima é um grupamento orgânico que participa de uma
reação enzimática.
Co-fator
(reduzido)
Os co-fatores mais relevantes para o metabolismo são as
coenzimas NAD+ (ou NADP+) e FAD.
Cada elétron se move como um átomo de hidrogênio (um próton e um elétron).
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As vias catabólicas geram quantidades consideráveis de co-fatores reduzidos.
Alguns deles são reoxidados em reações anabólicas.
Os restantes são reoxidados em processo que libera energia e que é acompanhado pela
síntese de ATP a partir de ADP + Pi.
Em organismos aeróbicos, a reoxidação do NADH e a produção acoplada de ATP
necessitam da redução do O2 a H2O.
Co-fator
(reduzido)
O2
e-
Co-fator
(oxidado)
H2 O
Observação: Os organismos anaeróbicos, sintetizam ATP sem o uso de O2 como agente oxidante.
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Coenzimas NAD+ e FAD
Estrutura das formas oxidadas da nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+)
e da flavina adenina dinucleotídeo (FAD).
N
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Forma oxidada da nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato (NADP+)
Observação: Este dinucleotídeo difere do NAD+ apenas pela presença de um grupo fosfato (em vermelho)
esterificado ao carbono 2 da ribose do nucleotídeo de adenosina.
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Reações de óxido-redução catalisadas por enzimas desidrogenases que têm
NAD+ e FAD como coenzimas
O substrato reduzido
(SH2) é oxidado,
perdendo dois átomos de
hidrogênio, e as
coenzimas convertem-se
nas suas formas
reduzidas.
O NAD+ recebe dois
elétrons e um próton,
ficando o segundo próton
no meio.
O FAD recebe os dois
átomos de hidrogênio.
Observação: Estão representadas apenas as partes reativas do NAD+ e FAD, o restante das moléculas
sendo simbolizado por R.
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Coenzima A (CoA ou CoA-SH)
A Coenzima A é um derivado de
nucleotídeo contendo uma adenosina
fosforilada ligada a um ácido pantotênico
(vitamina B3), com uma cadeia lateral
terminando em uma sulfidrila (SH).
Uma terceira classe de compostos que
podem liberar uma grande quantidade de
energia por hidrólise são os tioésteres,
como a acetil-Coenzima A (grupo acetil
ligado a sulfidrila da CoA).
O
CoA S
C
CH3
O
CoA S
C
R
Acil-Coenzima A: Quando o grupo
R (cadeia hidrocarbonada) não é
especificado.
A
A hidrólise
hidrólise da
da ligação
ligação tioéster
tioéster tem
tem valor
valor de
de ∆G
∆Goo’’ == -31,5
-31,5 kJ.mol
kJ.mol-1-1,, compatível
compatível ao
ao da
da hidrólise
hidrólise do
do ATP
ATP
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Esquema simplificado do processo de obtenção e utilização de energia em
organismos quimiorganotróficos (*)
A oxidação de nutrientes leva à redução
de coenzimas que são oxidadas por O2,
produzindo ATP.
Pi = fosfato inorgânico (HPO42- a pH 7,4).
Os processos biológicos utilizam a energia
do ATP, sintetizado por oxidação de
nutrientes.
(*) Organismos que utilizam compostos orgânicos
como fontes de carbono e de energia.
A maioria das bactérias e todos os fungos e
animais são quimiorganotróficos.
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Mapa simplificado de parte do metabolismo de carboidratos, lipídios e proteínas
No estágio I, centenas de
proteínas e muitas espécies de
lipídeos e de carboidratos são
degradadas liberando as
moléculas fundamentais que as
compõem, que são em número
relativamente pequeno.
No estágio II, as moléculas
fundamentais são degradadas até
o produto comum, os grupos acetil
do acetil-CoA.
No estágio III, o catabolismo
converge para o ciclo do ácido
cítrico.
Como produtos finais do
catabolismo são formados,
principalmente, CO2, H2O e NH3.
Observação: As setas indicam reações em alguns casos, e em outros, etapas de vias metabólicas
compostas por várias reações.