Bioenergética

1. Bioenergética UNIOESTE – Curso de Enfermagem – Disciplina de Bioquímica 6ª Aula Teórica – Dia 23/04/2014 Mustafa Hassan Issa

2. 2 Referência da Aula: Livro de Bioquímica do Stryer Capítulo 14 (5ª Ed.)ou 15 (6ª Ed.)

3. 3 Introdução ao Metabolismo O que é metabolismo? “Conjunto altamente organizado e complexo de reações catalisadas e reguladas por enzimas” • - Estas reações se organizam em seqüências enzimáticas -VIAS METABÓLICAS. • - Via metabólica:Uma sequência de reações específicas em que o produto de uma reação é o substrato da reação seguinte; • - Metabolismo (Metabolismo Intermediário):Conjunto das vias metabólicas - Uma rede altamente integrada de reações químicas; • - Constituído de milhares de reações ocorrendo simultaneamente (diferentemente de sistemas químicos operado pelo homem).

4. 4 Mapa Metabólico Praticamente todas as reações são catalisadas por enzimas.

5. Metabolismo - Esboço e Conceitos Básicos 5 A primeira vista… Complexo demais! Por outro lado: Há coerência e possui muitos temas em comum. - Alguns princípios são básicos, existindo uma certa lógica no seu desenho, com temas unificadores e/ou recorrentes (há uma certa organização modular) que permitem o seu mais fácil entendimento. - Exemplos de temas unificadores e/ou recorrentes: 1)Metabólitos comuns (+/- 100); 2)“Moeda corrente de energia”; 3)Transportadores ou intermediários ativados; 4)Variedade (mecanismos) de reações químicas pequena; 5)Modos de regulação recorrentes.

6. 6 Metabolismo - Reações - Seres vivos: Necessidade de entrada contínua de energia livre para 3 propósitos principais: 1) Movimento: Trabalho mecânico/muscular; 2)Transporte ativo de moléculas e íons; 3)Biossíntese a partir de precursores simples. - A energia livre disponível deriva do ambiente: 1)Organismos Fototróficos: Energia da luz solar; 2)Organismos Quimiotróficos: Energia da oxidação de biomoléculas. - As vias metabólicas podem ser divididas em 2 classes: 1)Vias que geram energia livre (convertem energia para formas biologicamente utilizáveis); 2)Vias que necessitam de energia livre para ocorrer.

7. Reações Catabólicas: Reações que convertem a energia contida nas biomoléculas em energia utilizável nas reações de anabolismo. Reações Anabólicas: As formas utilizáveis de energia produzidas nas reações de catabolismo são empregadas para as vias que apresentam défcit energético (reações de biossíntese ou outras em que os produtos finais contenham mais energia que os precursores). Reações anabólicas e catabólicas são vias distintas na célula. 7 Classificação das Vias Metabólicas

8. Classificação das Vias Metabólicas • Catabolismo: Via que extrai energia de compostos orgânicos (degradação): • Reação Exergônica (Exotérmica): Saldo líquido da via – Mas não necessariamente todas as reações. • - Via oxidativa (Origem de subst. oxidadas). Catabolismo Anabolismo:Via de síntese de moléculas orgânicas: - Reação Endergônica (Endotérmica); - Via redutora (Origem de subst. reduzidas). Anabolismo 8

9. 9 Metabolismo energético – Aspecto fundamental As vias para a biossíntese e para degradação são distintas, porém energeticamente complementares: - As vias catabólicas e anabólicas não são a simples inversão do sentido das vias, embora podem apresentar reações e intermediários em comum; - Separação das vias permite controle: Rotas são individualizadas para se tornar específicas (enzimas); - Reações termodinamicamente desfavoráveis são impulsionadas por reações favoráveis.

10. EXERGÔNICA (Exotérmica) G'= Negativo ENDERGÔNICA (Endotérmica) G'= Positivo 10 1ª Lei da Termodinâmica - Constância da energia num sistema Energia não é criada nem destruída, mas apresenta formas diferentes – Portanto é transformada e transferida entre os componentes de um sistema. - Uma reação só ocorre espontaneamente se a diferença de energia livre (G) entre os produtos e os reagentes for negativa (diferença de energia entre os componentes da reação).

11. - 1ª Reação: Não é espontânea (termodinamicamente desfavorável); - 2ª Reação: É espontânea (termodinamicamente favorável); - Reações são acopladas pelo metabolito “B”. *Obs:O conjunto inteiro de reações de uma via metabólica deve ser sempre termodinamicamente favorável, nem que seja as custas de energia concedida. *Obs: As enzimas interferem sobre a velocidade de uma reação ao permitir que energia necessária para iniciá-la (energia de ativação) possa ser menor ao oferecer um caminho alternativo para esta mesma ocorrer. 11 Variação de energia livre de uma via metabólica

12. Oxidação Mais Energia Menos Energia - Quanto mais oxidada uma molécula, menor a quantidade de energia que poderá disponibilizar. 12 Oxidação de Moléculas Orgânicas

13. Glicose Ácido Graxo 13 Oxidação de Moléculas Orgânicas Os lipídeos são uma fonte de energia mais eficiente do que os carboidratos devido aos carbonos nestes serem mais reduzidos.

14. Conversões de energia na célula 14 Fotossíntese: 6 CO2 + 6 H2O  C6 H12O6 + 6 O2 G0 = +686 Kcal/mol-1 Respiração: C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O G0 = -686 Kcal/mol-1

15. * *Piruvato 15 Conversão de Energia - 3 Estágios Estágios na extração da energia dos alimentos: - As vias catabólicas convergem no Ciclo do Ácido Cítrico (Ciclo de Krebs).

16. 1º Estágio: - Principal evento: As grandes moléculas são quebradas em unidades menores (digestão); - Elementos: Aminoácidos, Monossacarídeos, Ácidos Graxos + Glicerol (sem saldo de energia disponível). 2º Estágio: - Principal evento:Conversão das moléculas menores numa unidade simples de papel central no Metabolismo; - Elemento: Acetil CoA (pequeno saldo de energia disponível). 3º Estágio: - Principal evento:Oxidação da Acetil CoA e obtenção de ATP; - Elementos: Ciclo de Krebs e Cadeia de Transporte de Elétrons/Fosforilação Oxidativa (grande saldo de energia disponível). 16 Conversão de Energia - 3 Estágios

17. "O catabolismo libera a energia que será utilizada no anabolismo" Transferência de energia: INTERMEDIÁRIOS ATIVADOS 17 Princípios gerais do Metabolismo Energético

18. 18 Vias Metabólicas - Elementos Repetitivos - O Metabolismo como um todo, e a transferência de energia no organismo humano gira em torno de elementos que se repetem. - Estes elementos repetitivos são das seguintes características (natureza) – Carreadores Ativados: 1)Transportadores Fosfatados; 2)Transportadores de Elétrons e Íons H+; 3)Transportadores de Carbono.

19. 19 Transportadores Fosfatados de Alta Energia – ATP - No Metabolismo em geral, o ATP é a “moeda corrente de energia” (aceita por todas as células); - A Energia Livre (proveniente da oxidação de biomoléculas, ou então, da captação da luz na fotossíntese) está contida nas ligações entre os Fosfatos deste tipo de molécula, que é liberada no momento da sua hidrólise (G'= Negativo); - Esta energia está disponível para todos os processos celulares que necessitem de energia para que sejam viáveis (Movimento, Transporte Ativo e Biossínteses).

20. 20 Transportadores Fosfatados de Alta Energia – ATP ATP: Dispõe de grande quantidade de Energia Livre entre os Fosfatos (na hidrólise).

21. 21 Transportadores Fosfatados de Alta Energia – ATP

22. - Pelo fato do ATP ser um doador imediato de Energia Livre (não uma forma de armazenamento a longo prazo) seu consumo é imediato (+/- 1 minuto após sua formação). • Quantidade total no ser humano: 100 g; • Taxa de renovação precisa ser muito alta (Turnover) – Regenerado a partir do ADP/AMP. • Em repouso: Consumo de 40 Kg de ATP/24 horas; • Corrida de 2 horas: Consumo de 60 Kg de ATP. 22 Transportadores Fosfatados de Alta Energia – “Turnover” do ATP

23. 23 Transportadores Fosfatados de Alta Energia - Outros • - Outros Nucleotídeos Fosfatados: • Os nucleotídeos GTP, CTP, UTP e TTP também podem atuar como transportadores de energia, de forma idêntica ao ATP, mas ocorrem com menos frequência no metabolismo; • Suas energias de hidrólise são praticamente idênticas à do ATP, e os compostos, energeticamente, se equivalem.

24. 24 Transportadores de Elétrons - Nos organismos aeróbios o aceptor final de elétrons (na forma de íon H+) é o Oxigênio (O2); - Contudo estes elétrons não são transferidos diretamente ao O2; - As biomoléculas oxidadas transferem energia (na forma de elétrons) para carreadores especiais transitórios; - Estes carreadores em suas formas reduzidas (acoplada ao H) por sua vez, é que transferem estes elétrons ao O2; - Neste momento há liberação de energia transferida ao ATP (Cadeia de Transporte de Elétrons).

25. 25 Transportadores de Elétrons - Carreadores especiais transitórios de Elétrons são Nucleotídeos de Pirimidina ou de Flavina: 1)Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo (NAD); 2)Flavina Adenina Dinucleotídeo (FAD); 3)Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo Fosfato (NADP). - Existem particularidades bioquímicas entre estes carreadores que serão apresentadas separadamente.

26. O NAD é o principal carreador de elétrons na oxidação de biomoléculas; • Um NAD+ aceita 1 Íon Hidrogênio e 2 Elétrons. NAD+ (Forma Oxidada) NADH (Forma Reduzida) 26 Transportadores de Elétrons - NAD

27. O FAD é um carreador de elétrons semelhante ao NAD participando também da oxidação de biomoléculas; • Um FAD+ aceita 2 Íons Hidrogênio e 2 Elétrons. H FAD+ (Forma Oxidada) FADH2 (Forma Reduzida) 27 Transportadores de Elétrons - FAD

28. 28 Transportadores de Elétrons - NADP - O NADP é muito semelhante ao NAD diferenciando-se por apresentar um Fosfato a mais; - É o principal fornecedor de elétrons nas reações biossínteses (Anabolismo); - Nas biossínteses atua de forma conjunta ao ATP que fornece energia para estas reações; - Portanto, o NADPH é quase exclusivamente utilizado para as biossínteses redutoras; - Um NADP+ aceita 1 Íon Hidrogênio e 2 Elétrons.

29. NADP+ (Forma Oxidada) NADPH (Forma Reduzida) 29 Transportadores de Elétrons - NADP

30. 30 Reações de Biossíntese - O ATP e NADPH são respectivamente as principais fontes de Energia Livre e Elétrons.

31. 31 Transportadores de Carbonos – Acetil CoA - A Coenzima A (CoA ou CoA-SH) é uma outra molécula central no Metabolismo que pode carrear Acilas (-C=O-R); - As Acilas ligam-se à CoA na terminação Sulfidrila (-SH); - Quando uma Acila liga-se a CoA temos a Acil CoA (CoA-S-C=O-R); - Quando temos carbonos (por exemplo, originados do catabolismo de Biomoléculas), eles se ligam a Acil CoA e temos então a Acetil CoA (liga-se um: -CH3) (CoA-S-C=O-CH3); - Desta forma, a CoA (Coenzima A), na forma Acetil CoA, é a principal carreadora de carbonos (2) do Metabolismo.

32. b-mercaptoetilamina Ácido pantotênico Adenosina R – C – S – CoA Acil CoA H3C – C – S - CoA Acetil CoA " O " O Carreadora de até 2 carbonos 32 Transportadores de Carbonos – Acetil CoA

33. 33 Informações: Transdução de Energia nos Humanos - Conceito da Física: Transdução é a transformação de uma energia numa energia de natureza diferente. - Cerca de 60 a 70% da energia química (disponível na forma de Energia Livre) das biomoléculas catabolisadas é transformada em energia na forma de calor (corpos quentes); - A porção remanescente (30 a 40%)desta energia é disponível (na forma de Transportadores Fosfatados) para os processos celulares que necessitem de energia: Movimento, Transporte Ativo e Biossínteses.

34. 34 Informações: A Kilocaloria (Kcal) - Kcal:Unidade de energia mais utilizada nos sistemas biológicos. - 1 Kcal: Quantidade de energia térmica necessária para elevar em 1ºC a temperatura de 1 Kg de água pura (Ex. de 10ºC para 11ºC); - 1 cal: Quantidade de energia térmica necessária para elevar em 1ºC a temperatura de 1 Grama de água pura (Ex. de 10ºC para 11ºC). - 1 Kcal = 1000 calorias (cal); - 1 cal = 4,18 Joule (J)  Sistema Internacional (SI).

35. Obrigado, agradeço a atenção de todos

36. Perguntas…?