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ATP (Adenosina Trifosfato) - moeda energética. Síntese e ressíntese de ATP. Produção e Utilização de energia- Glicólise Glicólise- principal substrato para reações energéticas. Destino pode ser aeróbio ou anaeróbio. Ocorre no citosol e possui 10 etapas. 1) Glicose – glicose-6-fosfato. Fosforilação (adição de um grupo fosfato) para garantir o aprisionamento da glicose na célula. Quantidade interna de glicose tende a ficar maior que a externa, dessa maneira evita-se a perda de glicose por difusão. Enzima: hexoquinase. 2) Glicose – 6- fosfato - Frutose- 6- fosfato. Função: Isomerização – rearranjo de carbonos para garantis simetria para a próxima reação. Enzima : Fosfoglicose isomerase 3) Frutose 6-fosfato – Frutose 1,6-bifosfato. Segundo gasto de ATP. Fosforilação: simetria molecular 4) Frutose 1,6 fosfato- Gliceraldeido-3-fosfato(GAP) -Di-hidroxicetona fosfato(DHPA) Hidrólise da glicose. Clivagem em duas moléculas de 3 carbonos. Enzima: aldolase. 5) Di-Hidroxiacetona – Gliceraldeído-3-fosfato Somente GAP entra na rota da glicólise. Formação de 2 moléculas de Gap- reações em dobro. Enzima: Triose fosfato isomerase catalisa mudanças no posicionamento celular para a transformação do DHPA em GAP. 6) GAP – 1,3 Bifosfoglicerato Gap sofre fosforilação oxidativa. Adição de P inorgânico ao GAP- GAP transfere elétrons na NAD+ -- NADH Imp: energia armazenada em carreador. Enzima: Gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase. ~aróbio avanto no aeróbico 7) 1,3-Bifosglicerato- 3-Fosfoglicerato. Produção de ATP Alto potencial doador de fosfato de ADP para ATP. Imp: Balanço energético- reação de pagamento de ATP Saldo de ATP=0 Enzima: fosfoglicerato quinase 8) 3-Fosfoglicerato- 2-Fosfoglicerato. Ocorre uma transferência do grupo fosfato para um rearranjo de P com o intuito de preparar o substrato para a reação seguinte. Enzima: Fosfoglicerato mutase 9) 2-Fosfoglicerato – Fosfoenolpiruvato(PEP) Desidratação Imp: Alto potencial doador de fosforila. Enzima: enolase 10) Fosfoenolpiruvato- Piruvato PEP transfere Pi ao ADP: fosforilação ao nível do substrato. Imp: Produção de piruvato e ATP ( saldo de ATP) Enzima: Piruvato quinase. Saldo final da Glicólise. 2 ATP’s Produz 4 ( após 5 reação em dobro) 7 reação 10 reação Consome 2 1 reação 3 reação. 1 NADH 6 reação. 1 Piruvato 10 reação. Ciclo de Krebs Destino do piruvato produzido na glicólise Energia liberada é conservada nos transportadores de elétrons reduzidos a NADH e FADH2 Os carreadores doam elétrons para complexos da cadeia respiratória- produção de ATP. Oxidação completa da glicose Oxidação dos combustíveis a CO2 Piruvato passa pela membrana externa da mitocôndria por difusão simples (porinas) Membrana interna- carreador de piruvato mitocondrial- piruvato translocase Piruvato – Acetil CoA. Ciclo de Krebs : 8 reações Oxaloacetato será regenerado ao final de cada giro do ciclo 1) Formação de citrato Condensação de oxaloacetato(4C) com acetilCoA(2C) Imp: Formar molécula com 6 carbonos Enzima: citrato- sintase. 2) Citrato – Isocitrato Isomerização para mudar posição. Imp: possibilita a posterior retirada de CO2 da molécula de Isocitrato. Enzima: Aconitase 3) Oxidação isocitrato a α-cetoglutarato Descarboxilação oxidativa. Imp: produção de NADH Enzima: Isocitrato desidrogenase. 4) Oxidação α-cetoglutarato a succinil-CoA Descarboxilação oxidativa Entrada de CoA Imp: produção de NADH (molécula com potencial energético alto e possibilita a formação de ATP na cadeia respiratória). 5) Siccinil CoA – sccinato Oxidação em nível de substrato. Quebra da ligação tio éster- saída de CoA Imp: Formação de ATP. 6) Oxidação succinato – fumarato Conversão de FAD em FADH2 Dois H são removidos do succinato Imp: Formação de FADH2 7) Hidratação do Fumarato a Malato Reação de hidratação Imp: Rearranjo molecular fundamental para formar composto altamente energético na próxima reação. 8) Oxidação maato – oxaloacetato Dois H+ são removidos Imp: Produção de NADH. Ciclo pode ser repetido com uma nova molécula de AcetilCoA. Fechamento do ciclo de Krebs 4 NADH Piruvato – acetilcoa 3 reação 4 reação 8 reação 1 FADH2 6 reação 1 ATP 5 reação 8 NADH 2 FADH2 2 ATP’ s Cadeia Transportadora de elétrons. Ocorre nas cristas mitocondriais Membrana mitocondrial externa: permeável a pequenas moléculas. Membrana mitocondrial interna: Impermeável ao trânsito de substâncias e elétrons. Translocadoras de elétrons- lançadeiras- levam elétrons para o interior das mitocôndrias e regeneram NAD+. Lançadeira malato-aspartato:fígado, rim e pulmão. Lançadeira glicerol- fosfato:músculo esquelético e encefálo. NADH ou FADH2 passam pela cadeia de transporte de elétrons, chegando ao O2 aceptor final de é. Produção e Utilização de Energia Profa. Dra. Bruna Gabriele Biffe Objetivos da Aula Compreender o papel dos fosfatos de alta energia e do ATP, na transferência de energia, possibilitando que atuem como “moeda energética” das células. Compreender as reações da via glicolítica (glicólise) e as etapas nas quais ATP, NADH e piruvato são gerados. Compreender a participação da via glicolítica no metabolismo aeróbio e anaeróbio. Compreender as reações do ciclo de Krebs e as etapas nas quais ATP, NADH e FADH2 são gerados. Entender como o transporte de elétrons, por meio da cadeia respiratória, gera ATP por meio do processo de fosforilação oxidativa. Produção e Utilização de Energia ENERGIA Necessária para os organismos vivos executarem diferentes funções fisiológicas Crescimento Desenvolvimento Contração muscular Liberação hormonal Potencial de ação Transporte ativo ATP Síntese/Ressíntese Hidrólise Obtida pela degradação dos nutrientes: → Molécula de ATP. Produção e Utilização de Energia Vias Metabólicas Anaeróbias Aeróbias 32 ATP’s2 ATP’s Produção de poucos ATP’s Produção de poucos ATP’s “Bomba” para gerar de ATP’s Produção e Utilização de Energia Glicólise Glicose – Principal substrato para reações energéticas. Destino aeróbio e anaeróbio. Glicólise - Via oxidação inicial da glicose. Citosol Glicólise – 10 reações. Produz 2 moléculas de piruvato e poucos ATP’s. Captação celular: GLUT e SGLT. Produção e Utilização de Energia Glicólise 1 reação: Glicose – Glicose 6-fosfato. Gasto de ATP. Fosforilação (adição de um grupo fosfato). Importância funcional: Aprisionamento da glicose. Hexoquinase ↳ sempre are Tiver estátrans- mitindo fosfato ↳ se tem, consegue mais sair da célula Produção e Utilização de Energia Glicólise 2 reação : Glicose 6-fosfato – Frutose 6-fosfato. Isomerização. Rearranjo de carbonos. Fechamento do ciclo pentagonal. Importância funcional: Simetria preparatória para posterior hidrólise. Fosfoglicose isomerase -- Troca uma molécula PON Quira semelhante lizemerazes Produção e Utilização de Energia Glicólise 3 reação : Frutose 6-fosfato – Frutose 1,6-bifosfato. Segundo gasto de ATP. Fosforilação. Importância funcional: Simetria molecular para hidrólise. Fosfofrutoquinase energia pentregando ~ fosfato ↳FOSFATO ↳ FOSFGID Produção e Utilização de Energia Glicólise 4 reação : Frutose 1,6-bifosfato – Gliceraldeído 3-fosfato(GAP) Di-hidroxiacetona fosfato(DHPA). Hidrólise da glicose. Importância funcional: Clivagem em duas 2 moléculas de 3 carbonos. Aldolase 2 mo. Foram produzidas ↳ cada um com 3 carbonos Produção e Utilização de Energia Glicólise 5 reação : Di-hidroxiacetona fosfato - Gliceraldeído 3-fosfato. Somente o GAP entra na rota da Glicólise. Aproveitamento dos 6 carbonos da glicose. 2 moléculas de GAP. Mudança no posicionamento molecular. Importância funcional:Reações em dobro. Triose fosfato isomerase Produção e Utilização de Energia Glicólise 6 reação : Gliceraldeído 3-fosfato - 1,3-Bifosfoglicerato. GAP - Fosforilação oxidativa. Adição de Pi ao GAP→GAP transfere elétrons ao NAD+→NADH. Importância funcional: Energia armazenada em carreador. Gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase importante carreador ↑energético Fosfoglicerato quinase Produção e Utilização de Energia Glicólise 7 reação : 1,3-Bifosfoglicerato - 3-Fosfoglicerato. Produção de ATP. Alto potencial doador de fosfato de ADP para ATP. Importância funcional: Balanço energético: Reação de pagamento de ATP’s. Saldo ATP = 0. r reações em dobro FOSFATO Produção e Utilização de Energia Glicólise 8 reação : 3-Fosfoglicerato - 2-Fosfoglicerato. Transferência de grupo fosfato. Rearranjo de P. Importância funcional: Preparar o substrato para a reação seguinte. Fosfoglicerato mutase Produção e Utilização de Energia Glicólise 9 reação : 2-Fosfoglicerato – Fosfoenolpiruvato (PEP). Desidratração. Importância funcional: Alto potencial doador fosforila. Enolase Produção e Utilização de Energia Glicólise 10 reação : Fosfoenolpiruvato - Piruvato. PEP transfere Pi ao ADP: Fosforilação ao nível do substrato. Importância funcional: Produção de piruvato e ATP (saldo energético). Piruvato Quinase Produção e Utilização de Energia Glicólise Fechamento da Glicólise: 2 ATP’s. Produz 4 (após 5 reação tudo acontece em dobro). 7 reação: 1,3-bisfosfoglicerato em 3-fosfoglicerato. 10 reação: Fosfoenolpiruvato a Piruvato. Consome 2 1 reação: Glicose a Glicose 6-fosfato. 3 reação: Frutose 6-fosfato a Frutose 1,6-bisfosfato. 1 NADH. 6 reação: Gliceraldeído 3-fosfato a 1,3-Bisfosfoglicerato. 1 Piruvato. 10 reação : Fosfoenolpiruvato a Piruvato. 2 ATP’s, 2 NADH e 2 Piruvatos. Produção e Utilização de Energia Piruvato Piruvato Lactato Etanol Acetil CoA Piruvato desidrogenase Mitocôndria Anaeróbio Citossol Sem O2 O2 Aeróbio Elemento chave do metabolismo. Ciclo de Krebs Sir Hans Krebs, 1937. Nobel de Fisiologia/Medicina em 1953. Ciclo de Krebs. Ciclo do Ácido Cítrico. Ciclo dos Ácidos Tricarboxílicos. Passo central do metabolismo. Destino do piruvato (glicose), aminoácidos e ácidos graxos no metabolismo aeróbico. Energia liberada é conservada nos transportadores de elétrons reduzidos a NADH e FADH2. Carreadores energéticos doam elétrons para complexos da cadeia respiratória – produção de ATP. 95% de energia que uma célula humana precisa. Oxidação completa da glicose. Oxidação dos combustíveis à CO2. A entrada do piruvato no Ciclo de Krebs Ciclo de Krebs Ciclo de Krebs – Matriz mitocondrial. Piruvato possui carga negativa – Impede passagem direta pela membrana. Membrana externa – Difusão simples (porinas). Membrana interna - Carreador de piruvato mitocondrial – Piruvato translocase. -I acontece no citosos -acontece no mainiz mitocondrial está na Ciclo de Krebs O piruvato é convertido em acetilCoA antes de sua entrada do Ciclo de Krebs • AcetilCoA - grupo acetila. • Cofator da enzima - coenzima A. Conversão de piruvato – acetilCoA Complexo de piruvato desidrogenase: • Piruvato desidrogenase: libera CO2. • Di-hidrolipoil transacetilase: ligação à coenzima A. • Di-hidrolipoil desidrogenase: utiliza elétrons para gerar NADH. Descarboxilação oxidativa • Conversão de NAD+ em NADH Formará ATP. • Liberação de CO2. Piruvato desidrogenase Piruvato reage com Coenzima A para formar acetilCoA. Ciclo de Krebs 1 reação: Fomação de citrato. Condensação de oxaloacetato (4C) com acetilCoA (2C). Importância funcional: Formar molécula com 6 carbonos. 8 reações. Oxaloacetato será regenerado ao final de cada giro do ciclo. -> formado após a formação de acetilcoA componente típico da matriz mitocondrial Ciclo de Krebs 2 reação: Citrato a isocitrato. Isomerização para mudar posição. Importância funcional: Posterior retirada de CO2 da molécula de isocitrato. Ciclo de Krebs 3 reação: Oxidação isocitrato a α-cetoglutarato. Descarboxilação oxidativa. Importância funcional: Produção de NADH. Ciclo de Krebs 4 reação: Oxidação α-cetoglutarato a succinil-CoA. Descarboxilação oxidativa. Entrada da CoA. Importância funcional: Produção de NADH. Qual a importância de formar NADH?Qual a importância de formar NADH? Potencial energético alto. Formação de ATP’s na cadeia respiratória. Ciclo de Krebs 5 reação: Conversão succinil CoA a succinato. Oxidação em nível de substrato. Quebra da ligação tioéster – Saída de CoA. Importância funcional: Formação de ATP. Ciclo de Krebs 6 reação: Oxidação succinato a fumarato. Conversão de FAD em FADH2. Dois H+ são removidos do succinato. Importância funcional: Formação de FADH2. Ciclo de Krebs 7 reação: Hidratação fumarato a malato. Reação de hidratação. Importância funcional: Rearranjo molecular, via hidratação, fundamental para formar composto altamente energético na próxima reação. Ciclo de Krebs 8 reação: Oxidação malato a oxaloacetato. Dois H+ são removidos. Importância funcional: Produção de NADH. Ciclo pode ser repetido com uma nova molécula de AcetilCoA. Ciclo de Krebs Fechamento do piruvato até o final do ciclo: 4 NADH. Piruvato em acetilCoA. 3 reação: oxidação de isocitrato a α-cetoglutarato. 4 reação: oxidação de α-cetoglutarato a succinil-CoA. 8 reação: oxidação do malato a oxaloacetato. 1 FADH2. 6 reação: oxidação de succinato a fumarato. 1 ATP. 5 reação: conversão de succinil-CoA em succinato. 8 NADH, 2 FADH2 e 2 ATP’s. Cadeia Transportadora de Elétrons e Síntese de ATP Cadeia Respiratória e Fosforilação Oxidativa Representa o fim das rotas metabólicas de produção de energia em organismos aeróbios. Síntese de ATP - Oxidação de NADH e FADH2. Ocorre na membrana interna da mitocôndria Cristas mitocondriais. Membrana Mitocondrial externa: Permeável a pequenas moléculas. Membrana Mitocondrial interna: Impermeável ao trânsito de substâncias e elétrons.. Translocadores de elétrons → lançadeiras → levam elétrons para o interior das mitocôndrias e regeneram NAD+. Lançadeira malato-aspartato: fígado, rim e coração. Lançadeira glicerol-fosfato: músculo esquelético e encéfalo. v v Cadeia Transportadora de Elétrons e Síntese de ATP Cadeia Respiratória e Fosforilação Oxidativa A transferência de elétrons do NADH ou do FADH2 para o oxigênio ocorre por meio de intermediários. • NADH ou FADH2, passam pela cadeia de transporte de elétrons, chegando ao oxigénio molecular (O2) - o aceptor final de elétrons. • Elétrons transferidos diretamente para O2→Ineficiência para produzir ATP. • Cada etapa na transferência de elétrons libera uma quantidade de energia→Permite que a oxidação do NADH e do FADH2 impulsione a síntese de ATP. Cadeia Transportadora de Elétrons e Síntese de ATP Componentes da cadeia de transporte de elétrons Constituída de quatro grandes estruturas: Complexos I a IV. Entrada: NADH - Complexo I. FADH2 - Complexo II. • Transferência de elétrons dos Complexos I ou II para III – Ubiquinona ou coenzima Q (CoQ). • Transferência de elétrons do Complexo III - IV - Citocromo c. • Complexo IV - Elétrons são transferidos para o oxigênio. Complexo I: NADH – ubiquinona (Q) oxidorredutase ou NADH desidrogenase. Complexo II: succinato desidrogenase. Complexo III: ubiquinona – citocromo c oxidorredutase. Complexo IV: citocromo c oxidase. Cadeia Transportadora de Elétrons e Síntese de ATP Cadeia Respiratória e Fosforilação Oxidativa O par de elétrons é liberado para a metade de uma molécula de O2, gerando íons oxigênio (O−) que atraem fortemente o H+ e formam água. Síntese de ATP – Teoria Quimiosmótica Cadeia Transportadora de Elétrons e Síntese de ATP Cadeia Respiratória e Fosforilação Oxidativa Bombeamento de prótons da matriz para o espaço intermembrana. Força próton-motora: Diferença de [H+] entre os lados da membrana. Prótons -Bombeados para retornar a mitocôndria. ATPsintase. A passagem de prótons libera energia: *ATP* Síntese de ATP – ATPsintase Cadeia Transportadora de Elétrons e Síntese de ATP Cadeia Respiratória e Fosforilação Oxidativa Subunidades se movem quando os prótons H+ passam do espaço intermembrana para a matriz mitocondrial. ATPsintase ADP + Pi = ATP • 3H+ - Atividade da ATPsintase. • 1H+ - Transporte de Pi para ATPsintase. • 4H+ para liberar ATP. Cadeia Transportadora de Elétrons e Síntese de ATP Cadeia Respiratória e Fosforilação Oxidativa 4 prótons para formação de 1 ATP. • NADH -10 prótons para espaço intermembrana – 2,5 ATP’s. • FADH2 - 6 prótons para espaço intermembrana – 1,5 ATP’s. • NADH Glicólise - 2 Ciclo de Krebs - 8 10 x 2,5 = 25 Fechamento ATP 1 molécula de glicose produz 32 ATP’s. • FADH2 Glicólise - 0 Ciclo de Krebs - 2. 2 x 1,5 = 3. • ATP Glicólise - 2 Ciclo de krebs – 2 4 ATPs. Metabolismo Aeróbio Metabolismo Anaeróbio Via Glicolítica A via metabólica capaz de produzir rapidamente ATP, na ausência do oxigénio, é designada de via glicolítica. Fermentação homolática 2 piruvatos - 2 ATP’s de saldo. • Eritrócitos maduros. • Músculos em atividade extenuante. Citosol. Fonte de H+ Reutilizado pela glicólise SILVERTHORN, Dee Unglaub. Fisiologia humana: uma abordagem integrada. 7ª ed. Porto Alegre: Artmed, 2017. Capítulo 4: Energia e metabolismo celular. VOET, D.; VOET, J.G. Bioquímica. 4ªed. Porto Alegre: ArtMed. 2013. Capítulo 17: Glicólise. Capítulo 21: O ciclo do ácido cítrico. Capítulo 22: Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa. BERG, J.M.; TIMOCZKO, J.L.; STRYER, L. Bioquímica. 7ªed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan/GEN, 2014. Capítulo 15: Metabolismo. Capítulo 16: Glicólise e gliconeogênese. Capítulo 17: Ciclo do ácido cítrico. Capítulo 18: Fosforilação oxidativa. McARDLE, W.D.; KATCHI, F.I.; KATCH, V. L. Fisiologia do Exercício: Nutrição, energia e desempenho humano. 8ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2018. Capítulo 6: Transferência de energia no corpo. Referências Caso 1 M.E.P., 5 anos, sexo masculino, apresenta uma determinada disfunção mitocondrial (Encefalopatia mitocondrial) decorrente de uma mutação genética que condiciona o envolvimento e manifestações multissistêmicas. Dentre outros achados patológicos, é observado acúmulo de lactato no liquor/sangue - um achado importante para a reflexão do processo fisiopatológico da disfunção em questão. a) Avalie o caso acima e, aplicando seus conhecimentos sobre os processos de produção de energia, indique a implicação da disfunção mitocondrial na cadeia respiratória? Justifique. Caso 2 Fabiana, 24 anos, iniciou dieta, por conta própria, a partir de refeições extremamente restritas (de todos os macronutrientes) e com amplo espaço entre as refeições. Na segunda semana de dieta, além de perder massa corporal, começou a sentir intensa fraqueza e, por esse motivo, resolveu procurar ajuda especializada. Neste momento, o profissional indicou o estado catabólico que o organismo de Fabiana se encontrava por realizar uma dieta sem conhecimento dos processos metabólicos que seu organismo utiliza para obter energia e manter o funcionamento de células a sistemas. a) Explique os processos bioquímicos que Fabiana estava realizando durante a dieta para obter energia. Inicie a resposta justificando os processos pelos quais a energia pode ser obtida em um periodo absortivo. Caso 3 Júlia é encaminhada para um hematologista por apresentar icterícia, fadiga, palidez e letargia. No decurso da investigação etiológica, os exames de Júlia levaram ao encontro de elevadas concentrações séricas de bilirrubina e um grande número de eritrócitos espiculados - verificado por meio de esfregaço de sangue periférico. Estes achados sugeriam anemia hemolítica. A suspeita foi confirmada por meio de análise molecular - via método RT-PCR -, e digestão enzimática. Júlia fol, então, diagnosticada com anemia hemolítica decorrente de deficiência enzimática de piruvato quinase eritrocitária - uma condição hereditária autossômica recessiva. a) Como a bioquímica justifica a anemia hemolítica decorrente da deficiência de piruvato quinase eritrocitária. Casos Clínicos mitocôndrias não funcionam resultado de respiração anaeróbica (não usa oxigenio ajudam a fornecer energia e o corpo precisa de grandes quantidades L ·quebra de gicose para fornecer energia para o corpo catabolismo (comecou a pegar a reserva energéticadela Caso 4 João, 56 anos, obesidade grau III, portador de hipertensão arterial sistêmica, diabetes mellitus não insulino dependente e dislipidemia, chega ao setor de emergência para atendimento médico. João, relata que nas últimas semanas sentiu um desconforto no peito, especialmente em ocasiões em que aumentava sua atividade. Contudo, ao se deitar - pouco antes de procurar atendimento, sentiu uma forte dor no peito que teve duração de 10 minutos. João também relata que manifestou náusea e sudorese durante o episódio de dor. Na investigação do caso, o infarto agudo do miocárdio foi confirmado por alterações no ECG e por alta concentração da troponina, mioglobina e creatina-quinase. a) Como o metabolismo (via) da glicose se comporta frente à uma situação tal como a observada no caso acima - de infarto agudo do miocárdio? b) A observação de um determinado marcador enzimático pode ser atrelada à alteração do metabolismo da glicose frente ao infarto. Sobre qual marcador a questão se refere. Justifique