Disciplina Bioquímica
Professora Luciane
1. Definiç Definição ão de Metab Metabolis olismo; mo;
6.
2. Ca Cata tab bol olis ism mo
7.
X
Anabolismo;
Respiração celular; Acoplamento de
energia;
3.
Reações Redox ;
8.
Ciclo de Krebs;
4.
Enzimas desidrogenases; desidrogena ses;
9.
Cadeia respiratória;
5.
Coenzimas FAD e NAD+;
10.
Fosforilação
METABOLISMO CELULAR “É o somatório de todas as transformações da matéria e da energia (reações químicas) que ocorrem em determinada célula ou • As reações químicas não ocorrem organismo” isoladamente nas células, mas estão organizadas em rotas, onde o produto de uma reação serve como substrato da reação subsequente; •
O precursor é convertido por meio de uma série de intermediários denominados metabólitos;
•
As rotas formando
se
interrelacionam, rede uma
GLICÓLISE
e a o smo intermediário → refere-se às atividades combinadas de todas as vias metabólicas que interconvertem precursores, metabólitos e produtos de baixo peso molecular.
Existem vias: 1) Lineares (Ex. glicólise: 1 glicose → 2 piruvatos); 2) Ramificadas → a partir de um único precursor, conduzem a diferentes produtos finais úteis ou convertem diferentes precursores em um único produto final; 3) Cíclicas → um precursor da via é regenerado por meio de uma série de reações em que um segundo precursor é convertido em produto (Ex. oxaloacetato é renenerado no ciclo de Krebs). CATABOLIS MO CONVERGE NTE
≠ ANABOLIS MO
e a o smo = a a o smo + Anabolismo
CATABOLISMO • Os processos vitais requerem que as moléculas consumidas como nutrientes sejam decompostas para se extrair a sua energia e também para que sejam fornecidos os blocos de construção para a criação de novas moléculas;
• Para manter um estado estacionário dinâmico, os organismos vivos precisam de uma fonte de energia constante para organizar o seu interior frente às variações externas;
• O processo de extração de energia ocorre em uma série de várias etapas pequenas, nas quais os doadores de elétrons transferem energia aos aceptores de elétrons .
Essas REAÇÕES DE OXIDORREDUÇÃO são fundamentais para a extração de energia de moléculas como a
•
OXIDORREDUÇÃO Reações de oxidorredução, também referidas como reações redox , são aquelas em que os elétrons são transferidos de um doador a um aceptor. A oxidação é a perda de elétrons e a redução é o ganho de elétrons. A substância que perde elétrons (o doador; a molécula que é oxidada) é chamada agente redutor!
Oxidação = perda de e¯ Redução = ganho A substância que ganha elétrons (o de e¯a molécula receptor; que é reduzida) é
→ EXEMPLO PRÁTICO DE REAÇÕES REDOX :
•
A transferência de grupos fosfato e de elétrons são eventos centrais no metabolismo celular;
•
Os elétrons movem-se de diferentes intermediários metabólicos para carreadores especializados , por meio de reações enzimáticas;
COENZIM AS:
•
Os carreadores doam seus elétrons, através de reações enzimáticas, a receptores que apresentam maior eletroafinidade, liberando energia;
Enzimas oxidorredutases ou desidrogenases são holoenzimas que necessitam de NAD+ (NADP+) ou FAD (FMN) como coenzimas! →
TRANSPORTADORES DE ELÉTRONS •
•
NAD+ (oxidado)/NADH (reduzido): Nicotinamida adenina dinucleotídeo
FADH (oxidado)/FADH2 (reduzido): Flavina adenina dinucleotídeo
AD (NADP ) +
•
+
•
Íon hidreto (:H-): possui 2 elétrons e 1 próton
O NADP+ difere do NAD+ por ter um grupo fosfato
•
•
As coenzimas NAD+ ou NADP+ movem-se facilmente de uma enzima para a outra, atuando como um transportador hidrossolúvel de
À medida que uma molécula de substrato sofre oxidação (desidrogenação), liberando dois átomos de hidrogênio, a forma oxidada (NAD+ ou NADP+) recebe um íon hidreto (:H-, o equivalente a um próton e dois elétrons), sendo transformada na sua forma reduzida (NADH ou NADPH). O segundo próton removido do substrato é liberado no solvente aquoso (NADH + H);
•
As coenzimas NAD+ apresentam funções especializadas: •
•
ou NADP+ metabólicas
NAD+ atua OXIDAÇÕES, geralmente associadas processos CATABÓLICOS.
em
NADP+ atua REDUÇÕES, geralmente associadas processos ANABÓLICOS.
em
a
a
FAD (FMN)
•
Na maioria das flavoproteínas a coenzima encontra-se FORTEMENTE ligada, e em algumas, a ligação é
•
Como as flavoproteínas podem participar da transferência tanto de um quanto de dois elétrons, a diversidade de reações nas quais essa classe de proteínas está envolvida é maior que a das desidrogenases ligadas às coenzimas NAD + e
Estados de oxidação do carbono nas biomoléculas •
Os átomos de C encontrados nos compostos bioquímicos podem estar em cinco diferentes estados de oxidação, dependendo dos elementos com que o átomo de C compartilha os elétrons.
•
As vias catabólicas são as sequências de reações oxidativas que resultam na transferência de elétrons , por meio de uma série de transportadores, das moléculas combustíveis até o oxigênio . • A GRANDE AFINIDADE POR ELÉTRONS QUE O O2 APRESENTA TORNA ALTAMENTE EXERGÔNICO ESSE PROCESSO DE TRANSFERÊNCIA QUE FORNECE A ENERGIA QUE IMPULSIONA A SÍNTESE DE ATP → OBJETIVO CENTRAL DO CATABOLISMO!!!
RESPIRAÇÃO CELULAR Fase aeróbica do catabolismo → 3 estágios!
Os 3 estágios do catabolismo
1º Estágio: as moléculas dos combustíveis orgânicos (glicose, ácidos graxos e aminoácidos) são oxidadas para liberar fragmentos de 2 átomos de carbono na forma de um grupo acetila do acetil-coenzima A (Acetil-CoA);
Os 3 estágios do catabolismo
2º Estágio: esses grupos acetila são introduzidos no ciclo do ácido cítrico , o qual os oxida enzimaticamente até CO2. A energia liberada pela oxidação é conservada nos transportadores de
Os 3 estágios do catabolismo
3º Estágio: os equivalentes reduzidos são oxidados, desfazendo-se de prótons (H +) e elétrons; Os elétrons são conduzidos ao longo de uma cadeia de moléculas transportadoras de elétrons, conhecida como Cadeia Respiratória, até o O2
Durante este processo de transferência de elétrons através da cadeia respiratória, uma grande quantidade de energia é liberada e conservada na forma de ATP, através do processo chamado fosforilação oxidativa.
Então, como produzimos a molécula ATP? FOSFORILAÇÃO
OXIDATIVA
Ocorre nas mitocôndrias; FOSFORILAÇÃO
AO NÍVEL DE SUBSTRATO
Ocorre geralmente na ausência de oxigênio e o grupo fosfato transferido para o ADP provém de um
FOSFORILAÇÃO AO NÍVEL DE
• Em alguns casos, a energia livre da hidrólise dos organofosfatos é mais alta que a do ATP e por isso pode impulsionar a fosforilação do ADP em ATP.
SUBSTRATO
1 2
Íon fosfato (Pi)
→ HIDRÓLISE DO FOSFOENOLPIRUVATO (PEP):
2
1
Os produtos → HIDRÓLISE DO 1,3 - BIFOSFOGLICERATO: são mais estáveis que os 3 reagentes!
1 2
omo a pro uç o e o Como uso da energia são acoplados? • Uma questão muito importante do metabolismo é: “Como a energia liberada pela oxidação dos nutrientes é capturada e utilizada?” Essa energia deve ser transformada em uma forma de energia química de fácil acesso → ATP!
A energia livre de Gibbs (G) prediz o sentido em que uma reação ocorrerá espontaneamente. • Quando uma reação ocorre com LIBERAÇÃO de energia livre, ou seja, quando o sistema se transforma de maneira a possuir menos energia livre, a variação de energia livre (∆G) apresenta valor NEGATIVO → EXERGÔNICA • REAÇÃO Quando uma reação .química LIBERA CALOR → REAÇÃO EXOTÉRMICA, e o conteúdo de calor dos produtos é menor que o dos reagentes e ∆H possui valor NEGATIVO. • Quando os produtos de uma reação são menos complexos e mais desordenados que os reagentes, a reação ocorre com
∆G < 0 NEGATIVA forma direta ∆G = 0 equilíbrio
ZERO
Ocorre de Está no
∆G > 0 POSITIVA forma inversa e
Ocorre de
n â t n o ! ! p E s a !
O produto (B) apresenta MENOR energia livre que
O produto (A) apresenta MAIOR energia livre que o
RELEMBRANDO:
As enzimas aumentam a velocidade das reações químicas, mas NÃO alteram o equilíbrio termodinâmico da reação (o sentido)!!!
• As enzimas NÃO alteram a energia livre do sistema e, assim sendo, NÃO ALTERAM O EQUILÍBRIO TERMODINÂMICO DA REAÇÃO, ou seja, a reação obedece a mudanças de energia livre do sistema sendo realizada caso seja energeticamente possível.
Transportador de energia!
to s u d o r p O s s i s a m o ã s ue q s s i e v e s tá o s !
A energia liberada na hidrólise do ATP NÃO é
ELETRÓFILO: NUCLEÓFILO:
2
4
1
3
• NUCLEÓFILO: é um átomo rico em elétrons ;
≠
• ELETRÓFILO: é um átomo pobre em elétrons .
GASTO DE ENERGIA!
Exemplo de acoplamento de energia:
Exemplo de acoplamento de energia:
1º estágio da Respiração Celular: Nos organismos aeróbicos, a glicose e outros açúcares, os ácidos graxos e a maioria dos aminoácidos são oxidados, em última instância, a CO2 e H2O através do ciclo de Krebs. Entretanto, antes que possam entrar no ciclo, os esqueletos carbônicos precisam ser degradados até o grupo acetil do acetil-coenzima A (Acetil-CoA) → forma na qual o ciclo aceita a maior parte do seu combustível.
O catabolismo passo a passo de carboidratos, gorduras e aminoácidos será estudado na sequência da disciplina!
*** No caso da via de degradação da glicose, o piruvato (produto final da glicólise) deve ser descarboxilado e oxidado para liberar acetil-CoA e CO2. I. O piruvato entra na mitocôndria associado ao transportador do piruvato; sofre II. Posteriormente,
descarboxilação oxidativa por ação de um complexo multienzimático associado à REAÇÃO membrana interna da IRREVERSÍVEL!!! mitocôndria. Complexo da piruvato
5 coenzimas do complexo: 1) Tiamina pirofosfato (TPP) 2) FAD 3) CoA-SH 4) NAD 5) Lipoato
3 enzimas do complexo:
Grupos acila ligam-se covalentemente ao grupo – SH (tiol) da Coenzima A, formando tioésteres. Devido a sua energia livre de hidrólise relativamente alta, os tioésteres têm um alto potencial de transferência de grupos acila, doando esses grupos a uma variedade de moléculas receptoras. →
Coenzima A (CoA-SH)
O grupo acila ligado à CoA pode, assim, ser visto como um estado ativado para a transferência →
Acetil-CoA = Acetato
*** Forma-se o Acetil-CoA que entra no Ciclo de Krebs...
2º estágio da Respiração Celular:
Ciclo do Ácido Cítrico ou Ciclo de Krebs ou Ciclo dos Ácidos Tricarboxílicos •
O Ciclo de Krebs é o centro do metabolismo energético na maioria das células aeróbicas;
•
Representa a 2ª fase da respiração celular, sendo responsável pela oxidação total de unidades carbônicas (AcetilCoA) à C02, produção de equivalentes redutores (NADH e
Mitocôndria e m r e I m p v e l á
Cadeia respiratória – Fosforilação oxidativa
Ciclo de Krebs
Intermediários do Ciclo *** Uma molécula de de Krebs 2 carbonos é oxaloacetato empregada para formar citrato, mas uma molécula de oxaloacetato é REGENERADA 4 carbonos → VIA CÍCLICA!
6 carbonos
6 carbonos
4 carbonos
5 carbonos
4 carbonos 4 carbonos
4 carbonos
s o s s a p 8 o d e d o l c C i b s : e r K
Reações 1, 3 e 4 são: IRREVERSÍVEIS
1. Formação do CITRATO 1º Passo: condensação do Acetil-CoA + oxaloacetato ⇒ citrato (enzima = citrato sintase)
__ ↓[
]
REAÇÃO
2. Formação do ISOCITRATO
2º Passo: desidratação seguida de hidratação do citrato ⇒ isocitrato (enzima = aconitase)
3. Formação do αCETOGLUTARATO 3º Passo : descarboxilação oxidativa do isocitrato ⇒ -cetoglutarato (enzima = isocitrato desidrogenase ) REAÇÃO → Neste passo ocorre a saída do 1º CO 2 e formação IRREVERSÍVEL!!! do 1º NADH
4. Formação do 4º SUCCINIL-CoA Passo: descarboxilação
oxidativa do αcetoglutarato ⇒ succinil-CoA (enzima = complexo da -cetoglutarato desidrogenase ) → Neste passo ocorre a saída do 2º CO2 e formação do 2º NADH
Succinil-CoA = Succinato ativado
REAÇÃO IRREVERSÍVEL!!!
5. Formação do SUCCINATO Passo : fosforilação ao nível
5º do substrato do succinil-CoA ⇒ succinato (enzima = succinil-CoA sintetase); → Neste passo ocorre a formação de GTP (ATP) → Fosforilação ao nível do substrato ≠ o Cadeia ã ç a respiratória (Fosforilação oxidativa); s f o r i l l d o F o n í v e t o a o b s t r a s u
__ Nucleosídeo difosfato quinase
6. Formação do 6º PassoFUMARATO : desidrogenação do succinato ⇒ fumarato (enzima = succinato desidrogenase) Análogo do e inibidor de → Neste passo ocorre a formação succinato competitivo da succinato FADH2 desidrogenase → bloqueador do ciclo de Krebs
Nos eucariotos, a succinato desidrogenase está firmemente ligada à membrana mitocondrial
7. Formação do MALATO 7º Passo: hidratação do fumarato ⇒ malato (enzima = fumarase)
8. Formação do OXALOACETATO 8º Passo: oxidação do malato ⇒ oxaloacetato (enzima = malato desidrogenase ) → Neste passo ocorre a formação do 3º NADH e a regeneração do oxaloacetato , o qual pode condensar-se a uma nova molécula de acetil-CoA, dando continuidade ao ciclo.
↓[
]
ro utos do o cciclo c o de e Produtos Krebs
→ 3 NADH → 1 FADH2 → 1 GTP (ATP)
en men o mento energético do ciclo de Krebs/volta • Embora o ciclo de Krebs diretamente gere apenas uma molécula de ATP por volta, os 4 passos de oxidação do ciclo fornecem um grande fluxo de elétrons para a cadeia respiratória, através de NADH e FADH 2, e esta leva à formação de um grande número de moléculas de ATP durante a fosforilação oxidativa. Cadeia respiratória/Fosforilação oxidativa: • A passagem de dois elétrons do NADH para o oxigênio potencia a formação de 2,5 moléculas de ATP (ou 3) ; • A passagem de dois elétrons do FADH2 para o oxigênio potencia a formação de 1,5 → 3 NADH X 2,5 = moléculas de ATP (ou 2) ; 7,5 ATPs → 1 FADH2 X 1,5 =
10 ATPs/volta
c c o e re s é uma VIA ANFIBÓLICA • VIA
ANFIBÓLICA: serve tanto a processos catabólicos quanto anabólicos.
•
O ciclo de Krebs além de funcionar no catabolismo oxidativo de carboidratos, ácidos graxos e aminoácidos, também fornece precursores para
•
*
À medida que os intermediários do ciclo de Krebs são removidos para servirem como precurssores biossinteticos, eles são repostos por meio das REAÇÕES ANAPLERÓTICAS (reações de reposição/preenchimento) → equilíbrio dinâmico!
egu aç o do o cciclo c o de e Regulaç Krebs O controle do ciclo de Krebs é exercido em três pontos, ou seja, três enzimas dentro do ciclo são regulatórias: 1)citrato sintase 2)isocitrato desidrogenase α3)complexo da cetoglutarato desidrogenase •
•
Também há um controle de acesso ao ciclo pelo
•
egu aç o do o cciclo c o de e Regulaç Krebs ATP NADH e são compostos abundantes quando uma célula tem uma boa quantidade de energia disponível, logo, não é surpreendente que algumas destas enzimas regulatórias sejam INIBIDAS por estas moléculas uma vez que o ciclo de Krebs faz parte de uma via que LIBERA energia.
•
Por outro lado, ADP, NAD+ e
AMP, CoA,
egu aç o do o cciclo c o de e Regulaç Krebs •
A PDH é INIBIDA por altos níveis de acetilCoA.
(Quando as gorduras são abundantes e estão sendo degradadas para gerar energia, seu produto é Acetil-CoA e, se a Acetil-CoA for abundante, não há motivo para enviar carboidratos para o ciclo de Krebs → A PDH é inibida e, a Acetil-
egu aç o do o cciclo c o de e Regulaç Krebs •
A PDH, em mamíferos, também é ATIVADA por desfosforilação (junto ao complexo de 3 enzimas e 5 coenzimas existem outras duas enzimas: PDH quinase → fosforila e PDH → fosfatase desfosforila).
•
A enzima PDH quinase é ATIVADA por ATP;
•
A
enzima
PDH
egu aç o do o cciclo c o de e Regulaç Krebs •
Os íons Ca2+, que nos músculos dos vertebrados são o sinal para contração e o concomitante aumento na demanda por ATP, ATIVAM o ciclo.
3º estágio da Respiração Celular:
Cadeia respiratória – Fosforilação oxidativa
As únicas moléculas que atravessam a membrana mitocondrial interna são aquelas que o fazem através TRANSPORTADORES de ESPECÍFICOS!
deia respiratória A cadeia respiratória consiste de uma série de transportadores de elétrons localizados na membrana mitocondrial interna e que atuam sequencialmente objetivando a redução do O 2 a H2O com elétrons doados pelo NADH e FADH2. Os elétrons fluem dos catabólitos intermediários ao O2, produzindo energia para a geração do ATP. •
Complexos Enzimáticos: I- NADH desidrogenase: transfere elétrons à ubiquinona
(NADH → Q).
II- Succinato desidrogenase: transfere elétrons à
ubiquinona (succinato → Q). Ciclo de III- Ubiquinona-citocromo Krebs c oxidorredutase: transfere elétrons da ubiquinol ao citocromo c oxidado (QH2 → citocromo c oxidado).
IV- Citocromo oxidase: transfere elétrons do
Além do NAD+ e do FAD, três outros tipos de moléculas transportadoras de elétrons funcionam na cadeia respiratória: •
Ubiquinona 1) (Coenzima Q, CoQ ou Q): pode receber 1 ou 2 elétrons. É uma molécula pequena e hidrofóbica que se difunde livremente na camada lipídica da membrana.
Além do NAD+ e do FAD, três outros tipos de moléculas transportadoras de elétrons funcionam na cadeia respiratória: •
2) Citocromos (Cyt): participam da transferência de 1 elétron. São proteínas que contém o grupo prostético heme que contém Fe. As mitocôndrias contém 3 classes de citocromos a, b e c;
* O citocromo c é uma proteína solúvel que se associa com a superfície externa da membrana interna da mitocôndria por
Além do NAD+ e do FAD, três outros tipos de moléculas transportadoras de elétrons funcionam na cadeia respiratória: •
3) Proteínas que contém ferro-enxofre (FeS): participam da transferência de 1 elétron. O Fe está presente não no grupo heme, mas associado a átomos de enxofre (S) inorgânico ou a átomos de S orgânicos (provenientes de cisteína), ou ambos.
Os complexos I e II catalisam a transferência de elétrons para a ubiquinona (Q) a partir de dois doadores de elétrons diferentes: NADH (complexo I) e succinato (complexo III); •
O ubiquinol (QH2, a forma totalmente reduzida) difundese na membrana do complexo I ou II até o Complexo III onde é oxidado a Q; •
O complexo III transporta elétrons da ubiquinona até o citocromo c o qual move-se até o complexo IV; •
O complexo IV completa a sequência transferindo elétrons do citocromo para o O produzindo água. •
Para cada par de elétrons transferidos para o oxigênio a partir de NADH, 4H+ são bombeados da matriz para o espaço intermembranoso pelo complexo I, 4H+ pelo complexo III e 2H+ pelo complexo IV; •
Os complexos I, III e IV são bombas de prótons (transferência endergônica de H + contra o gradiente de concentração utilizam a energia proveniente do fluxo de →
A transferência de elétrons ao longo da cadeia respiratória é energeticamente favorecida, pois o NADH é um forte doador de elétrons e o oxigênio é um ávido aceptor de elétrons! Os pares redox diferem em sua tendência de perder/ganhar elétrons.
Quanto mais POSITIVO for o potencial de redução-padrão de um par redox, MAIOR será a tendência da forma OXIDANTE
sforilação oxidativa •
Processo responsável pela síntese de ATP (ADP + Pi) direcionada através da transferência de elétrons ao O2;
•
É responsável pela maior parte da síntese de ATP nos COMO O GRADIENTE organismos aeróbicos;
1948 - As mitocôndrias são os sítios da fosforilação oxidativa em eucariotos!
DE CONCENTRAÇÃO DE PRÓTONS É TRANSFORMADO 1961 – Modelo EM ATP? quimiosmótico!
odelo quimiosmótico
Potencial químico: pH ÁCIDO Potencial elétrico: Positivo
O potencial eletroquímico dirige a síntese de ATP.
A hipótese quimiosmótica propõe que, após os prótons terem sido transferidos para o espaço intermembranoso, eles podem reentrar na matriz mitocondrial no sentido do seu gradiente de concentração (movimento a favor) passando através de um canal (Fo) na molécula de ATP sintase (complexo
ATP sintase (Complexo FOF1 ou Complexo V)
Fo:
proteína integral de membrana que constitui o poro de prótons. Possui três unidades: a, b e c. → F1: proteína periférica de membrana formada por 9 subunidades α3β3γδε. Cada uma das subunidades β apresenta um sitio catalítico para a síntese de ATP. →
Catálise • Mecanismo de catálise em que os três sítios ROTACIONAL
ativos de F1 giram catalisando a síntese de ATP; Há 3 sítios para o substrato na ATP sintase e 3 possíveis estados conformacionais: 1) aberto (“O”); 2) ligação fraca (“L”) com baixa afinidade pelo substrato e que não é cataliticamente •ativo;As mudanças conformacionais 3) ligação forte (“T”)esse que émecanismo cataliticamente fundamentais para são ativo. dirigidas pela passagem dos prótons através da porção Fo da ATP sintase; •
Um rotação completa da ATP sintase libera 3 ATPs; •
(ATP produzido por átomo de Razão oxigênio reduzido) P/OO bombeamento de 4 prótons são
requeridos para a síntese de 1 ATP
NADH – bombeia 10 H+ → 10 ÷ 4 = 2,5 ATPs FADH2 – bombeia 6 H+ → 6 ÷ 4 = 1,5 ATPs Cadeia respiratória/Fosforilação oxidativa: • A passagem de dois elétrons do NADH para o oxigênio potencia a formação de 2,5 moléculas de ATP (ou 3); •
A passagem de dois elétrons do FADH2
O ADP e o Pi são transportados especificamente para o interior da matriz mitocondrial à medida que o ATP recém-sintetizado é transportado para fora. •
A transferência de elétrons e a síntese de ATP são OBRIGATORIAMENTE acopladas!
•
Inibidores da cadeia respiratória e da fosforilação inibem o oxidativa Esses agentes transporte de elétrons bloqueando a síntese de ATP ou o contrário;
* Rotenona: é um composto vegetal comumente usado como inseticida; Inibe Complexo I; * Cianeto: Inibe Complexo IV; * Oligomicina: Bloqueia ATP sintase.
•
Desacopladores da cadeia respiratória e da permitem ooxidativa fluxo de elétrons e o Esses agentes fosforilação consumo de substratos e oxigênio, permitem que o ATP seja formado ;
* Dinitrofenol (DNP): conduz prótons à matriz fora dos canais da ATP sintase, liberando calor;
mas
não
Proteína desacopladora → TERMOGENINA Na membrana interna
das mitocôndrias do tecido adiposo marrom (grande presença de mitocôndrias) existe a proteína termogenina (proteína desacopladora), que proporciona uma via para os prótons retornarem a matriz sem passar pela ATP sintase → a energia de oxidação não é conservada em ATP mas dissipada em calor, que contribui para manutenção da temperatura corporal .
Maioria dos mamíferos recém-
Hibernação
Ufaaaa.....terminou a aula! *-*
