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IntroduIntroduçção aoão ao MetabolismoMetabolismo

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CarboidratosGordurasProteínas

Nutrientes que liberam energia

ProteínasPolissacarídeos

LipídiosÁcidos nucléicos

Macromoléculas celulares

CO2H2ONH3

Produtos finais pobres em energia

AminoácidosAçúcares

Ácidos graxosBases nitrogenadas

Moléculas Precursoras

AnabolismoAnabolismoCatabolismoCatabolismoATP

NADPH

Energia química

Relacionamento energético entre as vias catabólicas e as vias anabólicas

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.

Metabolismo

O termo metabolismo éutilizado 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.

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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 livreenergia livre, isto é, ∆∆GG 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, ∆∆GGo, 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 ∆∆GG 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 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 éacompanhada de uma variação de energia livre padrão, ∆Go = - 2,5 kcal.mol-1, correspondente àreação

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 + PiADP + 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 acopladaA fosforilação da glicose por fosfato inorgânico (HPO4

2- ou Pi) é termodinamicamente desfavorável (∆Go’ = + 13,8 kJ.mol-1):

ATP + H2O ADP + Pi

A hidrólise do ATP é uma reação espontânea (∆Go’ = - 30,5 kJ.mol-1 ou – 7,3 kcal.mol-1):

CH2OH

C O

C C

C C

H

HOOH

H

H

OH

HOH

H H

OHH

OH

H

H

OHHO

H

CC

CC

OC

OPO3CH22-

+ Pi + H2O

Quando as duas reações são combinadas, os valores de ∆Go’ são adicionados:

Glicose + Pi glicose-6-fosfato + H2O (∆Go’ = +13,8 kJ .mol-1)ATP + H2O ADP + Pi (∆Go’ = -30,5 kJ .mol-1)

Glicose + ATP glicose-6-fosfato + ADP (∆Go’ = -16,7 kJ .mol-1)

Glicose + Pi glicose-6-fosfato + H2O (∆Go’ = +13,8 kJ .mol-1)ATP + H2O ADP + Pi (∆Go’ = -30,5 kJ .mol-1)

Glicose + ATP glicose-6-fosfato + ADP (∆Go’ = -16,7 kJ .mol-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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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.

Formação de ATP

Observação:

Guanosina Trifosfato ou GTP difere do ATP por conter guanina como base nitrogenada

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Co-fatores reduzidosEm 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 éreduzido quando aceita os elétrons.

Nutriente(reduzido)

Nutriente(oxidado)

Co-fator(oxidado)

Co-fator(reduzido)

e-

Uma coenzima é um grupamento orgânico que participa de uma reação enzimática.

O termo co-fator inclui coenzimas, assim como, íons metálicosque são essencias para algumas atividades enzimáticas

Os co-fatores mais relevantes para o metabolismo são as coenzimas NAD+ (ou NADP+) e FAD.

Quando um nutriente é oxidado, seus elétrons são colhidos por uma coenzima:

� 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.

O2

H2O

Co-fator(reduzido)

Co-fator(oxidado)

e-

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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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.

Forma oxidada da nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato (NADP+)

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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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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).

� A hidrólise da ligação tioéster tem valor de ∆Go’ = -31,5 kJ.mol-1, compatível ao da hidrólise do ATP� A hidrólise da ligação tioéster tem valor de ∆Go’ = -31,5 kJ.mol-1, compatível ao da hidrólise do ATP

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).

Acil-Coenzima A: Quando o grupo R (cadeia hidrocarbonada) não éespecificado.CoA S

O

C R

Coenzima A (CoA ou CoA-SH)

CoA S

O

C CH3

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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.

Esquema simplificado do processo de obtenção e utilização de energia em organismos quimiorganotróficos (*)

(*) 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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Observação: As setas indicam reações em alguns casos, e em outros, etapas de vias metabólicas compostas por várias reações.

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 atéo 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.