2 bioquimica, Esquemas de Bioquímica

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CB Virtual 2

Universidade Federal da Paraíba

Universidade Aberta do Brasil

UFPB VIRTUAL

COORDENAÇÃO DO CURSO DE LICENCIATURA EM CIÊNCIAS BIOLÓGICAS À DISTÂNCIA Caixa Postal 5046– Campus Universitário - 58.051-900 – João Pessoa Fone: 3216-7838 e 8832- Home-page: portal.virtual.ufpb.br/biologia

UFPB

Reitor

Rômulo Soares Polari

Pró-Reitor de Graduação

Valdir Barbosa Bezerra

UFPB Virtual

Coordenador

Renata Patrícia Jerônymo Moreira Edson de Figueiredo Lima Junior

Centro de Ciências Exatas e da Natureza

Diretor

Antônio José Creão Duarte

Departamento de Sistemática e Ecologia

Chefe

Juraci Alves de Melo

Curso de Licenciatura em Ciências Biológicas à Distância

Coordenador

Rafael Angel Torquemada Guerra

Coordenação de Tutoria

Diego Bruno Milanês Lopes

Coordenação Pedagógica

Isolda Ayres Viana Ramos

Coordenação de Estágio

Paulo César Geglio

Coordenação de TCC

José Vaz Neto

Apoio de Designer Instrucional

Luizângela da Fonseca Silva

Artes, Design e Diagramação

Romulo Jorge Barbosa da Silva

Apoio Áudio Visual

Edgard Adelino Ruiz Sibrão

BIOQUÍMICA METABÓLICA

Creusioni Figueredo dos Santos

UNIDADE 1

DIGESTÃO E ABSORÇÃO DE NUTRIENTES

1. INTRODUÇÃO

Para que as moléculas da alimentação sejam aproveitadas pelo organismo, é necessário que sejam degradadas e absorvidas pelo trato digestivo, levadas pela corrente sanguínea até os órgãos competentes da metabolização. A presença de alimento na boca, a simples visão, pensamento ou o cheiro do alimento estimulam a produção de saliva, sendo assim a digestão dos alimentos começa na boca pela amilase salivar. A passagem do bolo alimentar no sistema digestivo estimula a secreção e ação de hormônios pelo pâncreas e fígado que estão ligados aos processos digestivos. No suco gástrico, o pepsinogênio (forma inativa) é transformado em pepsina (ativa) pela ação do baixo pH. A maquinaria enzimática é quase toda secretada pelo pâncreas e pelo fígado no duodeno. O pâncreas também é responsável pela neutralização do pH para que as enzimas possam atuar em seu pH ótimo por volta de 7,2 ( Figura 1, Tabela. 1 ).

Figura 1 -Sinalização hormonal sobre o fígado e o pâncreas

Tabela. 1. Produção hormonal, órgãos excretores e órgãos alvo. Hormônio Local de produção Órgão alvo Função Gastrina (1) estômago estômago Estimula a produção de suco gástrico. Secretina (2) intestino delgado pâncreas Estimula a liberação de bicarbonato.

Colecistocinina (3,4) intestino delgado pâncreas e vesícula biliar

Estimula a liberação da bile pela vesícula biliar e a liberação de enzimas pancreáticas. Enterogastrona (5) intestino delgado estômago Inibe o peristaltismo estomacal e a produção de gastrina.

UNIDADE 2

METABOLISMO DOS CARBOIDRATOS

1. CONCEITOS BÁSICOS

Todo alimento depois que é digerido e suas unidades absorvidas e metabolizadas, a energia produzida é aproveitada na forma de ATP ( Figura 2).

Figura 2. Digestão, catabolismo e aproveitamento das moléculas.

¾ Metabolismo é o conjunto de reações químicas que ocorrem nas células e que lhe permitem manter-se viva, crescer e dividir-se. O metabolismo divide-se classicamente em:

• Catabolismo - obtenção de energia e poder redutor a partir de macromoléculas como proteínas, triacilgliceróis.
• Anabolismo - produção de novos componentes celulares, em processos que geralmente utilizam a energia e o poder redutor a partir de moléculas menores como aminoácidos. ¾ Bioquímica Metabólica - Trata do anabolismo e catabolismo: degradação de aminoácidos e do ciclo da uréia, metabolismo dos ácidos graxos, glicólise, ciclo de Krebs, síntese e degradação do glicogênio, via das pentoses-fosfato e vias metabólicas. Existe uma grande variedade de vias metabólicas. Em humanos, as vias metabólicas mais importantes são: ¾ Glicólise - oxidação da glicose a fim de obter ATP. ¾ Ciclo de Krebs - oxidação do acetil-CoA a fim de obter energia. ¾ Fosforilação oxidativa - eliminação dos elétrons libertados na oxidação da glicose e do acetil-CoA. Grande parte da energia libertada neste processo pode ser armazenada na célula sob a forma de ATP. ¾ Via das pentoses-fosfato - síntese de pentoses e obtenção de poder redutor para reações anabólicas. ¾ Ciclo da uréia - eliminação de NH 4 +^ sob formas menos tóxicas.

ACETIL - CoA

¾ β-oxidação dos ácidos graxos - transformação de ácidos graxos em acetil-CoA, para posterior utilização pelo ciclo de Krebs. ¾ Neoglicogênese - síntese de glicose a partir de moléculas não glicolíticas, para posterior utilização pelos órgãos glicodependentes, como o cérebro, miocárdio e glóbulos vermelhos.

2. GLICÓLISE OU VIA GLICOLÍTICA

2.1. ETAPAS E REAÇÕES

Essa via ocorre por anaerobiose e é um processo pelo qual uma hexose, a molécula de glicose, é oxidada a duas moléculas de piruvato. Esse processo é realizado em duas etapas: a primeira em que se trata da fosforilação da glicose para que seja mantido preso na célula onde é oxidada à Gliceraldeido-3P e à Dihidroxiacetona-P. Nessa primeira etapa só há gasto de energia. A segunda, a Dihidroxiacetona-P é transformada em Gliceraldeido-3P para continuar a via. As duas moléculas de Gliceraldeido-3P são transformadas em duas moléculas de piruvato. Nessa segunda etapa há compensação da energia perdida na primeira etapa e apresenta um saldo positivo de ATP ( Figura 3).

Figura 3 – Passos e etapas da glicólise. As reações 1, 3 e 8 são irreversíveis.

**Glicose ATP ADP 1 Glicose-6P 2 Frutose-6P ATP ADP 3 Frutose-1,6biP 4 Gliceraldeido-3P

Dihidroxiacetona-P NAD+**^ DAH+ H+ 1,3bi-P glicerato 5 ADP ATP 3-P glicerato 6 2-P Glicerato 7 P-enolpiruvato ADP ATP 8 Piruvato

Primeira etapa A glicose ao entrar na célula é fosforilada com a finalidade de ser mantida presa e ser destinada a entrar na via glicolítica. Nessa etapa da via há gasto de energia, duas moléculas de ATP, processo a molécula de hexose sofre a preparação para a quebra em duas em duas trioses. A dihidroxiacetona-P é convertida em Gliceraldeído-3P e as duas moléculas continuam na via.

Segunda etapa Nessa etapa há a reposição da energia gasta na primeira etapa, com a produção de duas moléculas de ATP a qual é contada duas vezes. São produzidas também duas moléculas de NADH+H +^ , as quais são utilizadas quando o piruvato é convertido a lactato ou etanol, no citosol (aerobiose) ou podem ser direcionadas para a mitocôndria para fazerem parte da cadeia de transporte de elétrons para produção de ATP (aerobiose) Creu. F. Santos

Na via glicolítica (citosol), a molécula de glicose (6 carbonos) é convertida em duas moléculas de piruvato de 3 carbonos como visto nas reações da Figura 4.

Figura 4. Reações da via glicolítica.

2.2. REGULAÇÃO DA GLICÓLISE

A via glicolítica em geral é estimulada pela insulina. No fluxo metabólico, através da glicólise existem três pontos de regulação que são as etapas irreversíveis onde estão envolvidas as enzimas abaixo: A Hexoquinase é inibida pelo próprio produto, glicose-6-P.

A Fosfofrutoquinase I é inibida por ATP e por citrato, o qual sinaliza a abundância de intermediários do ciclo de Krebs. É também inibida por H+, o que é importante em situações de anaerobiose, na qual a fermentação produz ácido láctico, o que faz baixar o pH. Provavelmente este mecanismo impede que nestas situações, a célula esgote toda a sua reserva de ATP na reação da fosfofrutoquinase, o que impediria a ativação da glicose pela hexoquinase. É estimulada pelo substrato frutose-6-fosfato, AMP e ADP que sinalizam falta de energia disponível. Essa etapa é regulada negativamente pela Fosfrutoquinase II através do glucagon. A Piruvato Quinase inibida por ATP e por acetil-CoA e também pelo glucagon.

glicólise. Ao contrário do que muitos pensam não é o acúmulo de lactato no músculo que causa dor e fadiga muscular, mas o

acúmulo do acetato gerado glicolidicamente. Os músculos são capazes de manter a carga de trabalho na presença de lactato, se o pH for mantido constante. Para obtenção de energia sob a forma de adenosina trifosfato (ATP), a glicose é convertida a piruvato através da glicólise. Durante o metabolismo aeróbio normal, o piruvato é então oxidado pelo oxigênio, onde o produto gerado é CO 2 e H 2 O. Durante um curto período de intenso esforço físico, a distribuição de oxigênio aos tecidos musculares pode não ser suficiente para oxidar totalmente o piruvato. Nestes casos, a glicose é convertida a piruvato e depois a lactato, através da via da fermentação láctica, onde os músculos obtêm ATP sem recorrer ao oxigênio.

Figura 5. Representação do Ciclo de Cori. A seta laranja mostra a direção das reações metabólicas envolvidas no ciclo numa situação de esforço físico. A vermelha, as reações que ocorrem no período de reoxigenação no estado de descanso.

2.4. UTILIZAÇÃO DO PIRUVATO NA MITOCÔNDRIA

a ) Respiração aeróbica A respiração aeróbica envolve a glicólise e o ciclo do ácido tricarboxílico (ciclo de Krebs). O piruvato é completamente degradado a dióxido de carbono (CO 2 ) e, nesse processo, o NAD é convertido a NADH + H +. Desta forma, na fermentação aeróbica, o NADH é gerado a partir de duas rotas: a glicólise e o ciclo de Krebs, para gerar ATP na cadeia de transporte de elétrons. A fosforilação oxidativa converte o excesso de NADH + H +^ à NAD+ e, no processo, produz moléculas de ATP como forma de energia a ser armazenada. Nesse processo estão envolvidos outros pares redoxes como veremos adiante. A conversão de oxigênio à água é o passo final deste processo através do par redox 2 H +^ + ½ O 2. Portanto, a respiração celular aeróbica tem como objetivo principal produzir energia a partir da decomposição de glicídios, gorduras e aminoácidos, utilizando para tal, o oxigênio.

b) Entrada do piruvato na mitocôndria Pelo processo aeróbio o piruvato entra na mitocôndria e é transformado em Acetil-CoA ( Figura 6 ). Há também a participação de NAD+ que se transforma em NADH + H+ ao capturar H+ do piruvato para produção do Acetil-CoA, já na mitocôndria. Essa reação é realizada pelo complexo piruvato- desidrogenase e é uma etapa intermediária entre a glicólise e o Ciclo de Krebs. Como são

formadas 2 moléculas de piruvato, a partir de uma molécula de glicose, então são formadas duas moléculas de Acetil-CoA e duas de NADH+ H+. Essas moléculas de Acetil-CoA entram no Ciclo de Krebs ou Ciclo do Ácido Cítrico, em condensação com o oxaloacetato, resultando no citrato.

Figura 6. Etapa intermediária entre a via glicolítica e o ciclo de Krebs realizada na mitocôndria.

Exercícios

1. Quais são as duas trioses produzidas a partir da glicose, na via glicolítica? 2.Explicar o mecanismo de funcionamento do complexo enzimático piruvato- -desidrogenase.
2. Como o cAMP ativa a PKC (proteína quinase dependente de cAMP)? Explique como isso interfere na via glicolítica.

Discussão

Por que a glicose-6-P é transformada em frutose-6-P, na via glicolítica?

As moléculas iniciantes do Ciclo de Krebs são Acetil-CoA e Oxaloacetato ( Figura 08 e 09 ).

Figura 8. Etapas do Ciclo de Krebs (As etapas 1, 4, 6*** são irreversíveis).

Figura 9. Esquema resumido do Ciclo de Krebs.

CO 2

NADH

NADH

NADH

CO 2

GTP/ATP

FADH 2

Glicose

Piruvato CoA-SH

NADH + H+

NAD+

CO 2 Descarboxilação oxidativa O S CoA H 3 C Acetil-CoA

CoA-SH

H 2 O

Citrato-sintase COO H H HO COO H H COO

Citrato H 2 O COO H COO H H COO

n

COO H COO H H COO

• • n Cis- Aconitato

Aconitase

H 2 O Aconitase COO H H HO COO HO H COO

• (^) Isocitrato

NAD+ NADH + H+

COO H H HO COO COO

O

n

COO H H HO COO COO

O

n Oxalossuccinato

COO H H

COO

O

H H

• CO 2

α-Cetoglutarato Isocitrato-desidrogenase Isocitrato- descarboxilase

CO 2

CoA-SH

NAD+

NADH + H+

COO H H

S

O

H H CoA

Succinil CoA

α-Cetoglutarato- desidrogenase

Pi

GDP CoA-SH GTP

COO H H COO

H H

Succinato

FADH 2

Succinil-CoA-sintase

FAD

OOC H H COO-

Fumarase Succinato- desidrogenase

COO HO H H H COO

L-Malato

H 2 O Fumarase

NAD+

**NADH

• H+**

Malato desidrogenase

COO H H COO

O

Oxaloacetato

Ciclo de Krebs

Complexo piruvato desidrogenase

2

3

5

7

8

9

Antonio Lins

A acetil-CoA pode ser proveniente também de outras fontes além da via glicolítica como da oxidação de proteínas e lipídeos. Iniciando o ciclo de Krebs, 2 moléculas de Acetil-CoA provenientes de uma molécula de glicose se condensam com número equivalente de oxaloacetato originando a liberação de CoA, duas moléculas de citrato e duas moléculas de CO 2. A liberação de H+^ de intermediários das reações do ciclo é capturada por moléculas de NAD +^ que passam para sua forma reduzida NADH + H+^ e capturados por molécula FAD +^ passando a FADH 2. Acontece também a transformação da molécula de GDP em GTP a qual é desfosforilada por ADP dando ATP. Esse ATP assim como os produzidos na via glicolítica são os ATPs formados ao nível de substrato e fora da cadeia de transporte de elétrons. Os elétrons capturados pelas moléculas de NAD+^ e de FAD+^ são direcionados para a cadeia de transporte de elétrons que, acoplada a fotofosforilação oxidativa, dão origem ao conjunto de moléculas de ATP que servirá como moeda energética para todos os processos metabólicos. O ciclo de Krebs contém intermediários de 4 a 6 carbonos. O piruvato (C3) supre o ciclo de Krebs de tal maneira que, o número de intermediários de C4 e C6 permanece o mesmo ou aumenta (Figura 8). A perda de CO 2 (C1) do piruvato para formar acetil CoA, seguida de sua adição a um componente C4 (oxaloacetato) do ciclo produz um componente C6 (citrato). Assim, o número de moléculas de C6 produzidas se iguala ao número de moléculas de C4 inicialmente presentes. Por outro lado, pela adição de CO 2 ao piruvato, um composto C4 é produzido. Nesta circunstância, são formadas moléculas adicionais de C4 tais como o oxaloacetato, também componente do ciclo. Desta forma, se alguns dos componentes do ciclo são removidos para uso em outras vias biossintéticas, estes podem ser repostos por meio desta reação. Os tipos de reações e as enzimas envolvidas no ciclo de Krebs estão na Tabela 3.

Tabela. 3. Reações do Ciclo de Krebs e enzimas envolvidas. Reação Tipo de reação Enzima envolvida 1 condensação Citrato sintase 2 Desidratação Aconitase

3 Hidratação Aconitase

4 descarboxilação oxidativa Isocitrato desidrogenase

5 descarboxilação oxidativa Complexo α-cetoglutarato desidrogenase

6 fosforilação ao nível de substrato Succinil CoA sintase

7 desidrogenação Succinato desidrogenase

8 hidratação Fumarase

9 desidrogenação Malato desidrogenase

2. Qual o número de ATP formado por molécula de glicose oxidada anaerobicamente?
3. Qual a opção utilizada no processo de fermentação alcoólica?
4. Faça um paralelismo entre todas as reações irreversíveis da glicólise e do ciclo de Krebs, contendo nome do substrato, do produto e da enzima onde ocorrem produção ou gasto de ATP (ou GTP). Calcule o balanço energético em cada uma dessas vias.
5. Qual o papel do ciclo do glioxilato? Quando e onde ocorre?
6. Explique o mecanismo de funcionamento do complexo enzimático piruvato- -desidrogenase.
7. Citar dois mecanismos que modificam a velocidade do ciclo de Krebs.

Tema para discussão

Fosforilação ao nível de substrato.

UNIDADE 4

CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS E FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA

1. CONCEITO

A cadeia transportadora de elétrons é a etapa de maior síntese de ATP celular. Nesse processo ocorre reoxidação de NADH+ H+ e FADH em NAD+ e FAD+ e outros pares redoxes compostos de coenzima Q, citocromos b, c, c1, a, a3 os quais são apresentados nas suas formas oxidadas e reduzidas no processo de transporte de elétrons. O transporte de elétrons ocorre no espaço intermembrana e a fosforilação oxidativa ocorre na matriz mitocondrial em conjunto com a ATP sintetase (em vermelho) ( Figura 10).

Figura 10 - Compartimentalização mitocondrial onde a parte vermelha representa as porções F1 e F0 da ATP sintetase, ligada na membrana mitocondrial interna.

Todos o elétrons capturados pelo NAD+ ou pelo FAD+ no processo de oxidação de macromoléculas como carboidratos, lipídeos e proteínas são levados por essas mesmas moléculas nas formas reduzidas, NADH+ H+ e FADH2, para serem transportados com ajuda de outros pares redox na cadeia de transporte de elétrons ( Figura11 ).