Universidade Federal de Uberlândia Instituto de Genética e Bioquímica

Disciplina de Bioquímica – Curso de Ciências Biológicas

Metabolismo energético Fermentações e Respiração Celular

Glicólise

Prof. Monica Soares Costa

A segunda lei da termodinâmica = entropia do universo aumenta durante todos os processos químicos e físicos, embora o aumento da entropia não ocorra necessariamente no próprio sistema reagente.

Energia livre - Definição: Expressa a quantidade de energia capaz de realizar trabalho em uma temperatura e pressão constante

Sentido de uma reação química Reações espontâneas = os produtos têm menos energia livre que os reagentes = libera

energia disponível para realizar trabalho: ΔG = (-) Reação exergônica

Reações não espontâneas = os produtos têm mais energia livre que os reagentes = consome

energia disponível para realizar trabalho: ΔG = (+) Reação endergônica

//

Acoplamento de reações As variações de energia livre padrão são aditivas

A transferência de grupos fosforil é um evento central no metabolismo. Igualmente importante é a

transferência de elétrons em reações de óxido-redução.

CARREADORES INTERMEDIÁRIOS

NAD+ FAD

Síntese de ATP esta acoplada ao fluxo de elétrons

Carreadores de elétrons nas células Estrutura do NAD+ e NADH

Glicólise: Degradação da glicose;

Gliconeogênese: Formação da glicose;

Glicogenólise: Degradação do glicogênio

Glicogênese: Formação do glicogênio;

Porque a glicose precisa ser armazenada na

forma de Glicogênio????

Ela influenciaria no pressão osmótica, podendo

levar a uma osmolridade muito alta, situação

incompatível com a vida.

1 – Conceito:

1 glicose 2 moléculas de piruvato

(6 carbonos) (3 carbonos)

A glicólise ou Via glicolítica compreende uma série de reações catalisadas por

enzimas, as quais acarretam na liberação de moléculas de PIRUVATO a partir

de uma molécula de GLICOSE.

A glicose é imprescindível para algumas células como as

hemácias e o tecido nervoso.

ATP e NADH

2 – Importância:

2.1 – Fisiológica: Geração de energia

Conservação da energia – derivados

Formação de macromoléculas

2.2 – Patológica: Degenerativa

3 – Local: Citosol

4 – Origens: ALIMENTOS...

GLICOGENÓLISE... GLICONEOGÊNESE...

4 – Origens:

5- Especializações

5.1 – Glicólise Aeróbica = Utilização de O2;

Ocorre na mitocôndria;

5.2 – Glicólise Anaeróbica = Ocorre na ausência de oxigênio;

Células que não possuam mitocôndria;

Quando não há oxigenação suficiente para atender a demanda energética;

- Muitos tecidos, incluindo as células sanguíneas vermelhas

e brancas, a medula renal, os tecidos do olho e os músculos

esqueléticos , dependem da glicólise anaeróbica para pelo

menos uma porção suas necessidades de ATP.

5- Especializações

A falta de mitocôndria, ou a velocidade da glicólise aumentada, em

geral está relacionada com algum aspecto da função celular.

• Por exemplo:

• Eritrócitos maduros não têm mitocôndrias, pois o metabolismo

oxidativo pode interferir na sua função de transporte de oxigênio

ligado à Hb.

•Um pouco de ácido láctico produzido na pele é secretado no suor,

onde atua como um agente antimicrobiano

•Muitos tumores grandes utilizam a glicólise anaeróbica para a

produção de ATP devido à falta de capilares que nutrem a sua

estrutura.

5.2 – Glicólise Anaeróbica

A via glicolítica

6 – Fatores Nutricionais:

Glicose

Oxigênio

Pi

Mg2+

Ácido pantotênico (Vit B5) – Coenzima A

Niacina (Vit B3)

Riboflavina (Vit B2)

Tiamina (Vit B1)

“Deficiência em qualquer um desses fatores nutricionais podem comprometer a glicolise,

consequentemente a produção de energia terá que acontecer por outra via”.

E os tecidos que são dependentes dele para obter essa energia??

6 – Fatores Nutricionais:

7 – Visão Geral da Glicólise:

A glicólise apresenta uma sequência de 10 passos e pode ser divida em 2 fases:

• Fase preparatória: 5 primeiros passos;

• Fase de pagamento: 5 passos restantes;

FASE PREPARATÓRIA FASE DE PAGAMENTO

Nesta fase 2 moléculas de

ATP precisam ser investidas

para ativar a molécula de

glicose para sua quebra em 2

partes com 3 carbonos.

Nesta fase 4 moléculas de

ATP são produzidas. Assim

o produto líquido são 2

moléculas de ATP, uma vez

que 2 moléculas de ATP

foram investidas na fase

anterior.

Gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase

Fosfogliceratoquinase

Fosfogliceratomutase

Enolsase

Piruvato quinase

Equeçao geral - Glicose + 2NAD+ 2ADP + 2Pi → 2Piruvato + 2NADH + 2H + 4ATP+ 2H2O Saldo – 2ATP + 2NADH + 2H + 2piruvatos

G’

-16,0

+1,7

-14,2

-22,8, +7,5 +6,3 -18,5

+4,4

+7,5

-31,4

G°´ das reações que ocorrem na glicólise

Acoplamento de reações

Oxidação total da glicose

(Via aeróbia) = 2.870kJ/mol

Oxidação total da glicose na

via glicolítica = 200 kJ/mol

PONTOS DE REGULAÇÃO DA VIA GLICOLÍTICA

-Hexoquinase Glicose-6-P (produto)

-Fosfofrutoquinase I AMP e ADP ATP e Citrato

-Piruvato quinase ATP

10 – Glicólise Anaeróbica

10.1 – Fermentação Láctica

Local: Citosol

Reação:

Piruvato Lactato

10 – Glicólise Anaeróbica

10.2 – Fermentação Etanólica

Local: Citosol

Reação:

piruvato Acetaldeido Etanol

Piruvato

Descarboxilase

Alcool

desidrogenase

A importância da regeneração do NAD+

11 – Glicólise Aeróbica

Local: Mitocôndria

m.m.e m.m.i

ESTUDO DIRIGIDO

1) Quais são os pontos de regulação da Via glicolítica? Quais estruturas são

capazes de inibir estes pontos de regulação?

2) Quais fatores nutricionais podem influenciar na Via glicolítica? Cite e

explique de que forma eles podem influenciar na via glicolítica (pelo menos

3 fatores).

3) A deficiência de niacina (Vit B3) causa a pelagra, uma doença caracterizada

por dermatite, diarréia e demência (3D) que pode levar a morte. Cite um das

coenzimas derivadas da niacina e a reação dependente dela.

4) Cite 2 compostos de alta energia que estão presentes na via glicolítica e

explique sua importância.

5) Esquematize a Via Glicolítica (intermediários com os nomes apenas das

enzimas irreversíveis. Esquematizar também ATP, e NADH

“A síntese e a degradação de vários

materiais biológicos dependem do

fluxo me moléculas e de energia

através do ciclo do ácido cítrico. Este

ciclo pode ser comparado a uma

roda d’água.”

Lyle leduc/Gamma Liaison

Glicólise Aeróbica = Se existe O2 disponível o piruvato segue por esta via....

Local: Mitocôndria

m.m.e m.m.i

Para a maioria das células eucarióticas e muitas

bactérias, vivendo em condições aeróbicas

e oxidando seus componentes a CO2 e H2O,

a glicólise é apenas o primeiro estágio para

a oxidação completa da glicose.

Essa fase aeróbica do catabolismo é chamada

de RESPIRAÇÃO CELULAR.

Respiração celular

Estágio 1: Produção de Acetil-CoA

Estágio 2: A oxidação do Acetil-CoA

Estágio 3: Transferência de elétrons e fosforilação

oxidativa.

A respiração celular é um termo empregado em um

sentido microscópio, referindo-se aos processos

moleculares que envolvem o consumo de CO2 e a

formação de CO2 pelas células, daí o nome de respiração

CELULAR.

Ela pode ser dividida em 3 estágios:

Complexo multienzimático: Piruvato desidrogenase

Complexo de 3 enzimas 5 grupos prostéticos

Complexo da Piruvato desidrogenase

Complexo da Piruvato desidrogenase

O ciclo do ácido cítrico é constituído de oito reações sucessivas. À medida que o acetil-CoA é oxidado para liberar CO2 , a energia oriunda dessa oxidação é conservada na forma de coenzimas reduzidas NADH e FADH2

O oxaloacetato é regenerado a cada volta do ciclo. Portanto, uma molécula de oxaloacetato é capaz de participar da oxidação de muitas moléculas de acetil-CoA

PRODUTOS

REGULAÇÃO DO CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO. O ciclo é regulado na altura de seus 3 passo exergônicos.

O segundo e o terceiro estagio da respiração celular ocorre na mitocôndria.

Mas nós vimos que há produção de energia no citoplasma da célula, na forma

de ATP e NADH + H

Como esse NADH é transportador para dentro da mitocôndria??

LANÇADEIRA MALATO – ASPARTATO. ( FÍGADO, RINS E CORAÇÃO)

Aspartato transaminase citosólica

Aspartato transaminase mitocondrial

Malato desidrogenase citosólica

Malato desidrogenase mitocondrial

LANÇADEIRA DO GLICEROL – FOSFATO. ESTE SISTEMA PREDOMINA NOS MÚSCULOS ESQUELÉTICOS E NO CÉREBRO.

A fosforilaçao oxidativa é o estágio final do

metabolismo produtor de energia nos

organismos aeróbios.

Ela ocorre na mitocôndria e envolve a

redução de O2 e H2O, com os elétrons

doados pelos carreadores.

O fluxo de elétrons é altamente exergônico e

o fluxo de elétrons promove uma força

eletromotriz a qual direciona a síntese de ATP.

Qual a função do Transporte de Elétrons no Metabolismo

• A energia derivada da oxidação dos combustíveis metabólicos é, em última análise, convertida em ATP.

• A energia liberada pela oxidação de nutrientes (Energia temporariamente transportada NADH e FADH2) é usada pelos organismos na forma de energia química do ATP.

• A produção do ATP na mitocôndria é o resultado da fosforilação oxidativa, na qual o ADP é fosforilado para formar ATP.

• As moléculas de NADH e FADH2, geradas no catabolismo transferem elétrons para o oxigênio numa série de reações conhecidas coletivamente como cadeia transportadora de elétrons.

• O oxigênio, o aceptor de elétrons final, é reduzido a água.

• Células vivas possuem um circuito biológico, no qual utiliza um composto reduzido como fonte de elétrons para gerar energia.

Ex: A glicose é oxidada enzimaticamente por uma série de reações enzimáticas e os elétrons

liberados fluem espontaneamente por meio de carreadores intermediários, até uma outra espécie

química como O2

Esse fluxo de elétrons é exergônico porque o O2 possui maior afinidade por elétrons do que os

carreadores intermediários de elétrons

O fluxo de elétrons promove uma força eletromotriz a qual direciona a síntese de ATP, o qual será

utilizado para a realização de trabalho biológico.

Hipótese quimiosmótica De acordo com o modelo proposto por Mitchel a energia eletroquímica

inerente da diferença na concentração de prótons e da separação de cargas

através da membrana mitocondrial interna a “força próton motriz” dirige a

síntese de ATP, a medida que prótons fluem passivamente de volta para a

matriz através de um poro de prótons associado à ATP sintase.

O gradiente de próton (diferença de cargas entre o espaço inter-

membranar e a matriz) gera uma alteração conformacional na proteína

ATPsintase a qual produzir o ATP

A cadeia transportadora de elétrons

possui uma série de transportadores

como Ubiquinona, Citocromo e Proteína

Ferro-Enxofre, os quais ficam inseridos

dentro das membrana mitocondrial;

A oxidação do NADH e FADH2 é

promovida pela cadeia transportadora

de elétrons, uma série de complexos

proteicos contendo centros redox com

afinidade progressiva por elétrons. São

eles: Complexo I, II, III e IV.

1) Ubiquinona ou Coenzima Q – Ela

tem capacidade de receber 2 elétrons.

Se encontra nas formas:

- Ubiquinna: Forma oxidada;

- Semiquinona: Recebeu 1 átomo de H+

- Ubiquinol: Forma reduzida (recebeu 2

átomos de H+).

2) Citocromo: Ele é capaz de carregar

apenas 1 elétron por vez.

3) Proteínas Ferro-enxofre: Capaz de

carregar 2 elétrons.

Citocromo

Proteína Ferro-enxofre

Esquema geral de “fosforilação oxidativa” pela cadeia repiratória (Fosforilação de ADP, oxidação de NADH e FADH2 )

A transferência de elétrons e a síntese de ATP são obrigatoriamente acopladas, nenhuma

reação ocorre sem a outra;

A força próton motriz sozinha é suficiente para gerar ATP;

À medida que os íons H+ fluem do espaço intermembranas para o lado da matriz mitocondrial, via subunidade Fo da ATPsintase, o cilindro e a haste rodam e as subunidades β de F1 mudam de conformação à medida que a subunidade se associa a cada uma delas.

TERMOGENINA

É um desacoplador biológico da fosforilação

oxidativa;

Presente no tecido adiposo marrom = proteção para

recém nascido;

A oxidação de combustíveis ao invés de gerar energia

gera calor;

A termogenina consegue fornecer um caminho

alternativo para os prótons retornarem á matriz SEM

passar pelo complexo F0 F1 da enzima ATPsintase.

DNP

É um desacoplador químico da fosforilação oxidativa;

São formados por ácidos fracos e possuem portanto alta

capacidade de protonar e desprotonar de acordo com o pH do

meio.

Conseguem modificar o gradiente de prótons SEM passar pelo

canal F0 da enzima ATPase, gerando como consequencia

CALOR;

São capazes de se associar em um dos complexos da

enzima ATP ase e então INIBIR o consumo e a

produção de ATP;

Inibidores Complexo

Barbitúricos

(hipnóticos)

I

Rotenona

(inseticida)

I

Malonato

(inibidor da succinato desidrogenase

II

Antimicina A

(antibiótico)

III

CN-, CO, Azida IV

oligomicina ATP sintase

DESACOPLADOR INIBIDORDOR

Ocorre o consumo

de O2 e não

produção de ATP

O consumo de O2 e

a produção de ATP

são inibidos

Considerando que o valor de consenso para os íons H+ bombeados para o

espaço intermembranas é 10 para o NADH e 6 para o FADH2, e que 4 íons H+devem entrar no complexo ATPsintase para sintetizar 1 ATP, a razão é 2,5 para o NADH e 1,5 para o FADH2.

Processo Produto direto

Glicólise 2NADH (citosólico) X 2,5

2ATP

5 ATP

2 ATP

Oxidações do piruvato (1 glicose gera 2 piruvatos)

2NADH X 2,5 5 ATP

Oxidação do acetil CoA no ciclo do ác cítrico (2 piruvatos geram 2 Acetil-CoA)

6NADH X 2,5

2FADH2 X 1,5

2GTP ou 2ATP

15 ATP

3 ATP

2 ATP

Produção total por glicose 32 ATP

OBS: SERÃO 32 ATPS SE A LANÇADEIRA MALATO-ASPARTATO FOR UTILIZADA.

CASO A LANÇADEIRA GLICEROL-3-FOSFATO FOR UTILIZADA SERÃO 30 ATPS

1) Quantas moléculas de NADH, FADH2 e GTP/ATP são formadas a partir da oxidação da

glicose a CO2? E quantas dessas moléculas são formadas por meio da oxidação de 1

molécula de Acetil-CoA?

2) De que modo a produção de ATP a partir da oxidação completa de uma molécula de glicose

nos músculos e no cérebro se diferencia daquelas obtidas no fígado, no rim e no coração?

3) Como a proteína termogenina, presente em altas quantidades no tecido adiposo marrom em

recém-nascido, contribui para manutenção da temperatura corporal?

4) Qual a diferença fundamental entre desacopladores e inibidores respiratórios?

5) Qual a relação que existe entre a teoria quimiosmótica com a produção de ATP?