Regulação do Metabolismo Celular, Esquemas de Histologia

Baixe Regulação do Metabolismo Celular e outras Esquemas em PDF para Histologia, somente na Docsity! GABARITO LISTA DE EXERCÍCIOS – PROF. GUILHERME 1. A partir das fórmulas estruturais, é possível observar que a razão H/C dos carbonos ligados do ácido hexanoico (11/6) é maior do que aquela da glicose (7/6). Além disso, o ácido hexanoico possui menos átomos de oxigênio em sua estrutura (2) do que a glicose (6). Com isso conseguimos concluir que a glicose se encontra mais oxidada que o ácido hexanoico. Como o ácido hexanoico é mais reduzido, consegue ser mais oxidado por O2 e, consequentemente, gera mais energia com a completa combustão a CO2 e H2O. Chegamos à mesma conclusão ao observarmos às equações da combustão completa de glicose e de ácido hexanoico: Glicose: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O Ácido hexanoico: C6H14O2 + 8,5O2 → 6CO2 + 7H2O Logo, o ácido hexanoico reage com um maior número de mols de O2 (8,5) do que a glicose (6), ou seja, pode ser mais oxidado e, consequentemente, gera mais energia com sua combustão completa. 2. As estratégias gerais de controle do metabolismo celular são: controle independente da degradação e síntese, compartimentalização, passos de compromisso (reações irreversíveis), concentração de moléculas e biomoléculas, regulação alostérica e controle hormonal. Controle independente da degradação e síntese: A degradação e síntese da glicose, por exemplo, é realizada por dois processos distintos, a glicólise e a gliconeogênese, respectivamente. Com essas duas vias distintas, a célula consegue exercer um controle na taxa de catabolismo (degradação) e anabolismo (síntese) de glicose, acelerando ou retardando cada uma delas dependendo do estado energético da célula, o que evita trabalho fútil, ou seja, ambos os processos ocorrendo com a mesma velocidade. Compartimentalização: Em diversos casos, as vias de degradação e síntese de determinada substância ocorrem em regiões celulares distintas; isso evita que uma molécula que acabou de ser sintetizada já seja degradada, ou vice-versa, logo, evita o trabalho fútil. Um exemplo é a síntese e degradação dos ácidos graxos, que ocorrem no citosol e nas mitocôndrias, respectivamente. Passos de compromisso (reações irreversíveis): Na glicólise, por exemplo, temos três passos de compromisso, ou seja, reações tão exergônicas (ΔG << 0) a ponto de serem irreversíveis. Isso cria um compromisso na via ao alcançar tal passo, de modo que, ao ultrapassar essa determinada reação, não seja possível retornar, o que é um tipo de controle da via. Concentração de moléculas e biomoléculas: Quando olhamos um valor de ΔG°’, estamos falando das condições padrão (todas as substâncias, reagentes e produtos, em concentração 1 M). Porém, na maioria das vezes, as reações bioquímicas não ocorrem nas condições padrão, pode haver mais substrato ou mais produto, deslocando aquela reação para um dos lados. Além disso, dependendo do estado da célula, pode haver diferentes concentrações de produto e substrato, direcionando a reação para algum dos sentidos (termodinâmica) e acelerando ou retardando o processo (cinética). Por fim, diversos produtos atuam ainda como ativadores ou inibidores alostéricos (item seguinte), de modo que sua concentração naquele momento celular específico seja ainda mais determinante para a realização do processo bioquímico. Regulação alostérica: É o principal tipo de regulação de resposta rápida da célula. Algumas moléculas cruciais para o funcionamento energético da célula, como ATP, ADP, AMP, NADH e NAD+, podem se ligar covalentemente a enzimas das vias metabólicas e atuarem como efetores alostéricos, modificando a atividade da enzima, podendo ser ativadores (alosteria positiva) ou inibidores (alosteria negativa) da enzima em questão. Pensando em vias de catabolismo (quebra, degradação), podemos entender que altas concentrações de ATP e NADH indicam um estado bastante energético da célula, no qual eu não preciso mais continuar degradando glicose; sendo assim, tais moléculas atuam como inibidores alostéricos de certas enzimas nas vias catabólicas (glicólise, ciclo de Krebs, ...), desacelerando-as. Por outro lado, moléculas como ADP, AMP e NAD+ simbolizam um estado pouco energético da célula, no qual a glicose deve ser degradada para que o NAD+ consiga receber seus elétrons, se transformar na forma de NADH e, ao fim da cadeia transportadora de elétrons, gerar ATP para a célula (convertendo ADP e AMP a ATP); sendo assim, tais moléculas tendem a atuar como ativadores das vias catabólicas, acelerando-as. Quando pensamos em vias anabólicas (síntese), como a gliconeogênese, entendemos que a regulação ocorre no sentido inverso, lembrando sempre de evitarmos o trabalho fútil. Controle hormonal: Diversos hormônios, como insulina e glucagon, são liberados em determinadas situações. A função destes hormônios é ativar uma cascata de sinalização (uma série de reações em sequência) que culmine em um determinado processo, por exemplo a ativação ou desativação de uma certa via. 3. 5. A glicólise está dividida em duas fases: fase preparatória e fase compensatória. O papel da fase preparatória é transformar a glicose em uma molécula mais energética, mais reativa, carregada em energia, ativada. Para isso, nesta fase, são gastas duas moléculas de ATP, que transferem, ao fim de toda a fase, dois grupamentos fosfato (Pi) à molécula de açúcar, e isso faz com que o produto desta fase seja altamente energético. Já o papel da fase compensatória é consumir, decompor a molécula de alta energia formada na etapa anterior a fim de formar tanto ATP a nível de substrato (4 ao final da fase, ficando com saldo +2 se pensarmos na glicólise como um todo) como NADH (que, na cadeia transportadora de elétrons, fornecerão a energia necessária à síntese de ATP) a partir dos elétrons retirados do substrato. Logo, é a fase de “pagamento”, onda a energia investida na fase preparatória é recompensada, gerando um saldo positivo de ATP e NADH. Os pontos de regulação são as três etapas de compromisso da via glicolítica, correspondentes às três reações irreversíveis do processo (ΔG << 0). Por não permitirem a reação de volta, essas etapas são fortemente reguladas, principalmente através de regulação alostérica. A regulação alostérica pode ser feita tanto por ATP, ADP, AMP, NADH e NAD+, moléculas que sinalizam o estado energético da célula e, consequentemente sua necessidade energética, como por intermediários da própria via glicolítica ou de outras vias metabólicas, como o ciclo de Krebs. Se está ocorrendo acúmulo de algum dos intermediários, significa que o metabolismo está interrompido por algum motivo e que eu não preciso formar ainda mais deste intermediário; assim, o próprio intermediário atua como inibidor alostérico de alguma das enzimas da via (feedback negativo). Por fim, a regulação alostérica pode ser feita por algum regulador externo, como é o caso da frutose-2,6-bifosfato. Essa molécula não é um intermediário da via, mas é importante por regular tanto a via glicolítica como a gliconeogênese, sendo essencial para o balanço entre esses dois processos. 6. Como pode ser visto no esquema acima, apenas o primeiro passo da piruvato desidrogenase envolve a remoção de um carbono (na forma de CO2). Os outros dois passos inserem a coenzima A (CoA-SH) na molécula descarboxilada do piruvato. Esses passos, por mais que não envolvam nenhum dos carbonos do piruvato, são essenciais para a produção de uma molécula ativada, o Acetil-CoA. Se houvesse apenas a primeira etapa, de descarboxilação, o produto seria acetato. O acetato não é uma molécula muito reativa, não é uma molécula ativada. Quando inserimos a coenzima A, geramos Acetil- CoA, que possui uma ligação C-S e corresponde a uma molécula ativada, muito mais reativa do que o acetato, e que, consequentemente, conseguirá continuar reagindo nas próximas etapas até a degradação total da glicose. Sem essa etapa de ativação, o acetato não seria reativo o suficiente para continuar sendo degradado nas próximas etapas das vias metabólicas. 7. Como pôde ser visto no esquema presente no exercício anterior, o TPP (pirofosfato de tiamina, thiamine pyrophosphate) é uma coenzima presente na piruvato desidrogenase essencial para seu funcionamento. Porém, não é apenas nesta enzima que essa coenzima se faz presente. Ela também é essencial para o funcionamento da α-cetoglutarato desidrogenase, que converte o α-cetoglutarato a succinil-CoA. Como podemos ver na figura abaixo, os dois processos são bastante semelhantes: ocorre a redução de NAD+ a NADH, uma descarboxilação (perda de CO2) e a inserção da coenzima A (CoA) no substrato, e ambas as enzimas dependem de TPP. Como o próprio nome do TPP diz, a tiamina é essencial para sua síntese. Pacientes de bérri-bérri, que possuem deficiência de tiamina, possuem dificuldade de sintetizar TPP, o que compromete a atividade tanto da α-cetoglutarato desidrogenase como da piruvato desidrogenase. Isso dificulta que o piruvato seja convertido a acetil-CoA e que o α- cetoglutarato seja convertido a succinil-CoA, o que explica o acúmulo (níveis elevados) de piruvato e α-cetoglutarato no sangue, especialmente após uma dieta rica em glicose. 8. O principal objetivo do ciclo de Krebs é a oxidação total da molécula de glicose para fornecer os elétrons necessários aos transportadores NAD+ e FAD, que serão convertidos às formas NADH e FADH2 após receberem esses elétrons; esses elétrons, por sua vez, entrarão na cadeia transportadora de elétrons na membrana interna da mitocôndria, seu fluxo pela membrana fornecerá energia suficiente ao bombardeio de prótons, acumulando potencial energético suficiente para a produção de ATP pela ATP sintase (complexo V). O ponto crucial deste processo é que o aceptor final dos elétrons vindos do NADH e FADH2 é o oxigênio (O2), que é reduzido à água (H2O). Logo, não há sentido no ciclo de Krebs continuar operando na ausência de oxigênio. Mesmo que eu metabolize toda a glicose, os elétrons retirados desta molécula e acumulados nas formas de NADH e FADH2 não terão destino, a cadeia transportadora de elétrons é interrompida se não há seu aceptor final, o O2. Esse reconhecimento do ciclo de Krebs em não operar em situações de ausência de oxigênio é feito principalmente por regulação alostérica das moléculas de NADH, inibindo diversas enzimas tanto do ciclo como da glicólise. 9. A molécula de ubiquinona possui caráter anfifílico, isso quer dizer, possui uma região polar e uma região apolar dentro da mesma molécula. Esse caráter é comum, por exemplo, nos triacilgliceróis, lipídeos que compõem as membranas, que possuem uma “cabeça” polar, voltada para a água, e uma “cauda” apolar, componente do interior da membrana. A ubiquinona possui algo bastante semelhante, uma longa cadeia de hidrocarboneto, apolar, e uma porção aromática, com dois átomos de oxigênio, de caráter polar e de atividade redox (pode receber ou doar elétrons), como pode ser visto na figura abaixo. Esse caráter anfifílico é essencial para que ela desempenhe sua função: a ubiquinona é um transportador intermembranar, ou seja, presente no interior da membrana, cujo papel é carregar os elétrons dos complexos I e II em direção ao complexo III. Para isso, ela deve, primeiramente, ser solúvel na membrana, logo, de caráter apolar, para realizar interações hidrofóbicas com os lipídeos. Em segundo lugar, deve possuir uma região com atividade redox, polar, que possa receber os elétrons e, posteriormente, doá-los, deixando clara a importância do caráter anfifílico desta molécula. 10. Os elétrons chegam à membrana mitocondrial interna através do NADH (gerado na glicólise e ciclo de Krebs), pelo complexo I, e pelo succinato (intermediário do ciclo de Krebs), pelo complexo II. Em ambos os casos, esses elétrons são transferidos a alguma coenzima (grupo prostético) do respectivo complexo. No complexo I, os elétrons são transferidos ao FMN (mononucleotídeo de flavina, flavin mononucleotide) que, por sua vez, transfere a um cluster de Fe-S (um cubo formato por átomos de ferro e enxofre ligados entre si), que, por sua vez, transfere a um cluster vizinho, e assim por diante, algo semelhante a um fio condutor de eletricidade. Essa corrente de elétrons transitando por dentro do complexo gera a energia necessária para o bombeamento de prótons da matriz mitocondrial para o espaço intermembranas, através do complexo. No complexo II, os elétrons são recebidos por outro grupo prostético (coenzima), o FAD, que é convertido a FADH2. Eles são então transferidos à ubiquinona, que os carrega até o complexo III. No complexo III, o bombardeamento de prótons é feito da mesma forma, através da corrente de elétrons gerada entre os clusters de Fe-S presentes no interior do complexo. Isso explica como o transporte de elétrons pela membrana gera energia para o bombardeamento de prótons transversal, da matriz para o espaço intermebranas.