Prévia do material em texto
ENZIMAS - São milhares de proteínas sintetizadas pelas células para acelerar as reações biológicas. São catalisadores biológicos de alta especificidade, pois só agem sobre um determinado composto ou grupo de compostos. - As três características distintivas das enzimas são o poder catalítico, especificidade e regulação. As moléculas das enzimas são grandes em relação aos seus substratos e possuem um sítio ativo, local onde se liga o substrato durante o processo de catálise. As enzimas alostéricas possuem além do sítio ativo, os sítios regulatórios ou se ligam os moduladores ou efetores alostéricos que podem ser efetores negativos (quando se ligam à enzima reduzem a atividade desta) ou efetores positivos (quando se ligam à enzima aumentam a atividade catalítica). - Tradicionalmente, as enzimas são designadas pelo acréscimo do sufixo ase ao nome do substrato específico. Por exemplo, urease por hidrolizar a uréia (substrato), fosfatase por hidrolizar grupos fosfatos. Outras enzimas possuem denominações muito diferentes dos nomes de seus substratos, tais como, catalase que decompõe o peróxido de hidrogênio e as enzimas proteolíticas digestivas tripsina e pepsina. FATORES QUE ALTERAM A VELOCIDADE DAS REAÇÕES ENZIMÁTICAS 1)- Efeito da concentração da enzima - A velocidade da reação enzimática varia de forma diretamente proporcional à concentração da enzima, quando há um excesso de substrato e quantidades crescentes de enzima [E]. 2)- Efeito da concentração do substrato - Quando a concentração da enzima [E] é constante e variamos a concentração do substrato [S], a cinética da reação inicialmente é de primeira ordem porque a velocidade da reação é dependente da concentração do substrato [S] e aumenta proporcionalmente ao aumento do substrato. 3)- Efeito da temperatura - No início, há um aumento da velocidade porque a temperatura aumenta o movimento cinético das moléculas e a colisão entre elas, facilitando a superação da barreira de ativação energética e a entrada no estado de transição. Ao atingir a temperatura ótima, a velocidade da reação é máxima. No entanto, após atingir a temperatura ótima, o aumento subsequente da temperatura reduz a atividade da enzima, sendo que determinadas temperaturas desnaturam as enzimas, ou sejam, estas perdem o enovelamento típico da estrutura terciária e a atividade biológica. 4 - Efeito do pH - As enzimas atuam num pH característico, ao qual a atividade enzimática é máxima. Como são proteínas, as mudanças de pH afetam o caráter iônico de aminoácidos do sítio ativo envolvidos na catálise. Em determinados valores de pH, as enzimas podem ser desnaturadas e destituídas de atividade catalítica.O pH ótimo das enzimas varia muito. MECANISMOS CATALÍTICOS Os seis tipos de mecanismos catalíticos empregados pelas enzimas são classificados, conforme a seguir: 1)- Catálise ácido-base 2)- Catálise covalente 3)- Catálise de íons metálicos 4)-Catálise eletrostática 5)- Efeitos de proximidade e orientação. 6)- Ligação preferencial do complexo do estado de transição. 5) - Efeitos de proximidade e orientação - A ligação do substrato próximo de radicais catalíticos do sítio ativo da enzima e o fato deste está precisamente orientado na direção destes radicais, aumenta a possibilidade do complexo enzima-substrato entrar no estado de transição. 6)- Ligação preferencial do complexo do estado de transição - Um dos principais mecanismos de catálise enzimática é a ligação preferencial do estado de transição à enzima (complexo ES) que ocorre com maior afinidade do que aos substratos e produtos correspondentes. Este modo catalítico tem sido relatado como de tensão ou de distorsão, mas é precisamente denominado de estabilização do estado de transição. INIBIÇÃO ENZIMÁTICA -1)- Inibição irreversível 2)- Inibição reversível - Não competitiva: O inibidor não tem semelhança estrutural com o substrato e se liga à enzima em local diferente do sítio ativo, alterando a conformação da mesma, o que leva à inibição da atividade por inativação do sítio catalítico. -Incompetitiva: O inibidor se liga somente ao complexo ES e não à enzima livre. Uma vez ligado, não há formação do produto. REGULAÇÃO ENZIMÁTICA 1)- Controle da quantidade de enzima - A concentração de uma determinada enzima na célula depende de sua velocidade de síntese e degradação. Estes dois processos são regulados na célula. A regulação da expressão gênica de enzimas pode ser feita regulando o processo de transcrição e formação do mRNA referente aquela enzima (regulação transcricional) ou pode ser por mecanismo de regulação pós-transcricional. Chamamos de indução, a ativação da síntese da enzima e de repressão, a redução da síntese enzimática. 2)- Por modificação covalente - Neste tipo de regulação, a enzima pode existir nas formas ativa e inativa. A ligação de um grupo funcional de forma covalente à enzima, como grupo fosfato pode ativar ou desativar a mesma. A estratégia de regulação utilizada em muitas vias metabólicas é a fosforilação/defosforilação de enzimas. Muitas vias metabólicas são reguladas por cascatas de fosforilações/defosforilações induzidas por hormônios. REGULAÇÃO ALOSTÉRICA - As enzimas alostéricas possuem além do sítio ativo ou catalítico, sítios regulatórios ou alostéricos onde se ligam os moduladores ou efetores, de forma não covalente. Um efetor alostérico positivo se liga à enzima ativando-a, e um negativo reduz a atividade da enzima. - As enzimas alostéricas homotrópicas possuem sítios múltiplos de ligação do substrato, assim quando uma molécula de substrato se liga à enzima facilita a ligação de moléculas de substrato adicionais, de forma que o substrato ligante é cooperativo. Nestas enzimas, a cinética não obedece à equação de Michaelis-Menten. -Possuem sítios regulatórios para ligação dos efetores alostéricos. -A transição alostérica entre a forma ativa e inativa é rápida. A regulação é considerada de curto prazo. PRECURSORES ENZIMÁTICOS – ZIMOGÊNIOS - Muitas enzimas são produzidas na forma de zimogênios que são proteínas inativas. Posteriormente, os zimogênios são ativados por enzimas proteolíticas que geralmente removem uma parte dos resíduos de aminoácidos do precursor inativo para torná-lo ativo. - As enzimas digestivas e os fatores de coagulação sanguínea são exemplos de zimogênios. ISOENZIMAS - São enzimas que catalisam as mesmas reações, mas existem em formas múltiplas, ou seja, em mais de uma forma quaternária. Essas enzimas têm propriedades cinéticas, composição e sequências de aminoácidos distintas. Uma das classes dessas isoenzimas em mamíferos é a desidrogenase láctica ou lactato desidrogenase (LDH). A LDH catalisa a conversão do piruvato em lactato com reoxidação do NADH numa reação reverssível. BIOENERGÉTICA - Na termodinâmica, um sistema é definido como parte do universo de interesse, assim, uma célula ou um organismo como um todo pode ser um sistema termodinâmico. Os sistemas podem ser: abertos, quando podem trocar matéria e energia com sua vizinhança; ou fechados, quando não realizam trocas de matéria com o meio circunvizinho, mas apenas trocam calor. Um sistema é isolado quando não troca matéria nem energia com o meio externo. A energia é definida como a capacidade de realizar trabalho. Existem várias formas de energia: química, mecânica, térmica, luminosa, elétrica e nuclear. As formas de energia podem ser convertidas umas nas outras. Trabalho é a aplicação de uma força através de uma distância. 1)- Primeria lei da termodinâmica – Princípio da conservação da energia - A primeira lei da termodinâmica diz que a energia de um sistema mais o ambiente é constante; não há perda ou ganho de energia no universo, masdentro de um sistema pode haver variações de energia. Esse princípio levou aos conceitos de variação de energia e, consequentemente, de variação de entalpia. 2)- Segunda lei da termodinâmica- Princípio da espontaneidade e desordem - Todas as transformações físicas e químicas tendem a ocorrer em uma direção tal que a energia útil sofre degradação irreversível para uma forma desordenada chamada entropia. Essas transformações chegam ao final em um ponto de equilíbrio, no qual a entropia formada é máxima sob as condições existentes. REAÇÕES ACOPLADAS - São reações com intermediários comuns, em que o produto de uma reação é o substrato da outra. Elas ocorrem em etapas, sendo que a energia liberada em uma reação exergônica é utilizada para realizar uma reação endergônica. REAÇÕES DE ÓXIDO-REDUÇÃO - São reações que envolvem a transferência de elétrons. Nessas reações, os agentes oxidantes recebem elétrons (sofrendo redução) e os agentes redutores perdem elétrons (sofrendo oxidação). O potencial de redução é a medida da capacidade de um elemento em receber elétrons, e a força eletromotriz (f.e.m) é a diferença de potencial entre o receptor (agente oxidante) e o doador (agente redutor) de elétrons. BIOMOLÉCULAS RICAS EM ENERGIA - São compostos que, por hidrólise, fornecem uma grande quantidade de energia. As biomoléculas mais importantes ricas em energia são os anidridos fosfóricos (ATP e ADP), o enol fosfato (fosfoenolpiruvato), o acil fosfato (acetilfosfato) e o guanidino fosfato (fosfocreatina). Também estão incluídos os tioésteres. 1)Anidridos fosfóricos (ATP e ADP): - Dentre os compostos de alta energia, o ATP tem uma posição intermediária, pois seu ΔG° de hidrólise possui valor intermediário. Compostos como fosfoenolpiruvato, AMP cíclico, 1,3-bifosfoglicerato, acetil-fosfato e pirofosfato apresentam ΔG° de hidrólise maiores do que o do ATP. No metabolismo, a energia é temporariamente armazenada na molécula de ATP. 2) Intermediários da via glicolítica: - O fosfoenolpiruvato (PEP) e o 1,3- bifosfoglicerato são compostos de alta energia formados durante a via glicolítica, que é a degradação da glicose até piruvato. Essa via ocorre em várias etapas de reações acopladas, e esses dois compostos de alta energia doam fosfatos ricos em energia para o ADP, formando ATP. 3) Fosfagênios: - A fosfocreatina é um composto de alta energia que transfere fosfatos para o ADP, formando ATP. Nos músculos, cérebro e nervos, ela atua como um depósito temporário de fosfatos de alta energia. Como o ATP é a fonte imediata de energia para a célula, sua ressíntese requer energia. Durante o trabalho muscular, a fosfocreatina armazenada é utilizada para a formação de ATP nos primeiros 10 segundos de um exercício de intensidade máxima. GLICÓLISE - É a via central do catabolismo da glicose em animais, vegetais e na maioria dos microrganismos. Trata-se de uma sequência de 10 reações que transformam a glicose em piruvato no citosol das células. Durante a glicólise, são formados 2 compostos de alta energia que podem doar fosfatos ricos em energia para o ADP, formando ATP. 1) Fosforilação da D-glicose: - Na primeira fase, a glicose é fosforilada com o gasto de ATP para formar glicose-6-fosfato pela hexocinase, uma enzima que requer Mg²⁺ATP²⁻. O ΔG° da reação é -4,0 Kcal/mol. A enzima é fortemente inibida pelo aumento da concentração de seu produto, a glicose-6- fosfato. A hexocinase é uma das enzimas reguladoras da glicólise. Ela também pode catalisar a fosforilação de frutose e manose, mas com um Km muito maior, ou seja, com menor afinidade por esses substratos. O Km para a glicose é 0,1 mM em células musculares. Nos diferentes tecidos, a enzima existe como isoenzimas. No fígado, a glicocinase atua para fosforilar a glicose, diferindo das isoenzimas da hexocinase, pois é específica para a D-glicose e não fosforila outras. 2) Conversão da glicose-6-fosfato em frutose-6-fosfato: - O segundo passo da primeira etapa é a conversão da glicose-6-fosfato em frutose-6- fosfato pela enzima fosfoglicoisomerase. O ΔG° da reação é +0,4 Kcal/mol. 3) Fosforilação da frutose-6-fosfato para formar frutose-1,6-bifosfato: - A frutose-6-fosfato é convertida em frutose- 1,6-bifosfato com consumo de 1 ATP. A reação é catalisada pela fosfofrutocinase-1 (PFK-1), que requer Mg²⁺. O ΔG° da reação é -3,4 Kcal/mol. Nas condições celulares, a reação é irreversível. A fosfofrutocinase-1 é a segunda enzima regulatória da glicólise e é uma enzima alostérica interessante porque o ATP pode ser tanto substrato quanto modulador alostérico da enzima, dependendo de sua concentração na célula. A relação ATP/AMP é importante na regulação da enzima, já que esses compostos são interconvertíveis. Quando a concentração de AMP está alta, a enzima é ativada, com o AMP atuando como modulador positivo, enquanto o ATP é um modulador negativo, pois sua concentração elevada inibe a fosfofrutocinase-1. Além disso, altas concentrações de citrato e ácidos graxos também inibem a enzima. 4) Clivagem da frutose-1,6-bifosfato: - A aldolase catalisa a clivagem reversível da D-frutose-1,6-bifosfato (6 carbonos), formando diidroxiacetona fosfato e D-gliceraldeído-3- fosfato (compostos de três carbonos). O ΔG° da reação é +5,73 Kcal/mol. 5) Interconversão das trioses fosfatos: - A diidroxiacetona fosfato não pode ser metabolizada na via glicolítica, então é convertida em D-gliceraldeído-3-fosfato. Assim, 2 moles de D-gliceraldeído são formados a partir de 1 mol de frutose-1,6- bifosfato. O ΔG° da reação é +1,83 Kcal/mol. 6) Oxidação do D-gliceraldeído-3-fosfato à 1,3-bifosfoglicerato (3-fosfogliceroil- fosfato): - Nesta reação, o grupo aldeído do gliceraldeído-3-fosfato forma um anidrido carboxílico com o ácido fosfórico. Este acil- fosfato tem um alto ΔG° de hidrólise e é o primeiro intermediário rico em energia formado na via glicolítica. O ΔG° da reação é +1,5 Kcal/mol. O receptor de hidrogênio, na forma de íons hidretos (H⁻), é o NAD⁺ (nicotinamida adenina dinucleotídeo oxidado), que é convertido na forma reduzida NADH. A enzima que catalisa a reação é a gliceraldeído-3- fosfato desidrogenase. O iodoacetato é um inibidor dessa enzima, pois se combina com grupos –SH (sulfidrilas) da enzima, essenciais na catálise. 7) Formação de ATP pela transferência de fosfatos ricos em energia do 1,3- bifosfoglicerato para o ADP: - Nesta reação, 2 moles de ATP são formados, uma vez que na segunda fase da via glicolítica, 2 moles de cada intermediário são gerados por mol de glicose degradada. A transferência de um fosfato rico em energia para o ADP, formando ATP, leva à conversão do 1,3-bifosfoglicerato em 3-fosfoglicerato. A enzima responsável é a fosfoglicerato quinase, e o ΔG° é -4,5 Kcal/mol. A produção de ATP acoplada à transformação enzimática de um substrato é chamada de fosforilação em nível de substrato. 8) O 3-fosfoglicerato é convertido a 2- fosfoglicerato: - A fosfogliceromutase desloca o grupo fosfato do carbono 3 para o carbono 2, formando o 2- fosfoglicerato. O ΔG° é +1,06 Kcal/mol. 9) Formação do fosfoenolpiruvato, o segundo intermediário de alta energia: - A remoção reversível de uma molécula de água do 2-fosfoglicerato pela enolase forma o fosfoenolpiruvato, composto de alta energia. O ΔG° é +0,44 Kcal/mol. Este passo da via glicolítica é importante em pesquisas para avaliação da velocidade da via glicolítica. Os hidrogênios da água liberada correspondem aos hidrogênios do carbono 2 ou do carbono 5 da molécula original de D-glicose. Incubando in vitro células com glicose marcada com trítio no carbono 5 (H₃[5]-glicose), forma-se água tritiada (³H₂O), que pode ser separada da H₃[5]-glicose. 10) Formação do piruvato (ácido pirúvico) e ATP: - A segunda fosforilação em nível de substrato ocorre na última reação da glicólise.Um fosfato rico em energia é transferido do fosfoenolpiruvato para o ADP, formando ATP, numa reação catalisada pela piruvato quinase. O ΔG° é -7,5 Kcal/mol. A reação da piruvato quinase é considerada irreversível nas condições celulares, sendo o terceiro passo de regulação da via glicolítica. Existem diversas isoenzimas de piruvato quinase na maioria dos organismos. Para as isoenzimas do fígado, rins e hemácias de animais, obtém-se uma curva sigmoide da velocidade versus a concentração de fosfoenolpiruvato. A frutose- 1,6-bifosfato é um ativador alostérico dessa enzima e, como é formado numa etapa anterior pela fosfofrutocinase-1 (PFK-1), a ativação da PFK-1 induz um aumento na atividade da piruvato quinase, caracterizando uma regulação chamada de anterógrada. DESTINOS DO PIRUVATO: - Nos tecidos animais, sob condições aeróbicas, o destino do piruvato é a descarboxilação oxidativa para formação do acetil-CoA, que é degradado na mitocôndria até CO₂ e H₂O. A degradação completa do piruvato envolve o ciclo de Krebs e a cadeia transportadora de elétrons. Os elétrons do NADH citosólico formado na glicólise são lançados para a mitocôndria, onde servem para formação de ATP na fosforilação oxidativa (processo acoplado à cadeia de transporte de elétrons). No processo aeróbico, a degradação completa da glicose apresenta um ΔG° de - 686 Kcal/mol, sendo que parte dessa energia é utilizada na formação de 30 a 32 ATPs. Sob condições anaeróbicas, como em bactérias lácticas e no músculo esquelético em trabalho anaeróbico, o piruvato é reduzido a lactato numa reação que envolve a reoxidação do NADH para a forma NAD⁺. Essa reoxidação do NADH fornece NAD⁺ para que a glicólise continue, permitindo que a glicose seja utilizada em alta velocidade durante o trabalho muscular anaeróbico. O balanço de ATP nessas condições é de 2 ATPs formados por glicose degradada até ácido láctico. Nas leveduras e em microorganismos que fermentam a glicose, a glicólise é idêntica até a formação do piruvato; a seguir, o piruvato é convertido em acetaldeído pela piruvato descarboxilase e depois em etanol pela alcool desidrogenase (desidrogenase alcoólica). Este processo de formação do etanol também reoxida o NADH, formando NAD⁺, e tem um saldo líquido de 2 ATPs. REGULAÇÃO DA VIA GLICOLÍTICA • Hexoquinase: Inibida por altas concentrações de glicose-6-fosfato. • Fosfofrutocinase-1 (PFK-1): A principal enzima regulatória do fluxo glicolítico. Regulação alostérica por altas concentrações dos metabólitos: • Moduladores positivos: AMP (+) e D- frutose-2,6-bifosfato (+) • Moduladores negativos: ATP (-) e Citrato (-) • A insulina ativa a captação de glicose pela célula e a PFK-1. • Piruvato cinase: Regulação alostérica por altas concentrações dos metabólitos: • Moduladores positivos: AMP (+) e D- frutose-1,6-bifosfato (+) • Moduladores negativos: ATP (-), acetil- CoA (-) e alanina (-) - A regulação no fígado também inclui modificação covalente. Os hormônios como o glucagon, que ativam a proteína quinase AMPc-dependente, promovem a fosforilação da piruvato quinase, aumentando o Km da enzima para o fosfoenolpiruvato (PEP). A fosforilação reduz a afinidade da piruvato quinase pelo seu substrato. O PEP, ao invés de ser convertido em piruvato, segue a via de neoglicogênese que sintetiza glicose nos hepatócitos. A inibição é mais forte pelo ATP e alanina. A insulina estimula a defosforilação da enzima, ativando uma proteína fosfatase. ENTRADA DE OUTROS MONOSSACARÍDEOS NA VIA GLICOLÍTICA: - Galactose: A galactose é fosforilada no C-1 para formar galactose-1P pela galactocinase. Esta é convertida em UDP-galactose pela galactose-1-fosfato uridiltransferase. A UDP- galactose é convertida em UDP-glicose por ação da UDP-galactose-4-epimerase. A seguir, a UDP-glicose pirofosforilase catalisa a conversão de UDP-glicose em glicose-1P. Por ação da enzima fosfoglicomutase, a glicose-1P é convertida em glicose-6P, que é um intermediário da via glicolítica. - Manose: A manose é fosforilada pela hexocinase para formar manose-6P. A seguir, a manose-6P é convertida em frutose-6P pela fosfomanoisomerase. A frutose-6P é um componente da via glicolítica. - Frutose: No fígado, a frutocinase fosforila a frutose no carbono 1, formando frutose-1P. A frutose-1P é clivada pela enzima frutose-1P aldolase, gerando diidroxiacetona fosfato e D- gliceraldeído. O D-gliceraldeído é então fosforilado a gliceraldeído-3-fosfato pela triose cinase. Assim, temos dois intermediários da via glicolítica. - Nos rins e músculos esqueléticos, a frutose é fosforilada pela hexocinase, formando frutose- 6P, que entra diretamente na via glicolítica. SÍNTESE DE GLICOSE – NEOGLICOGÊNESE OU GLICONEOGÊNESE - A neoglicogênese é o processo de produção de glicose a partir de piruvato, sendo quase o reverso da glicólise, com exceção de três reações que são irreversíveis. Essas etapas são substituídas por reações específicas chamadas reações de retorno. A conversão do piruvato em fosfoenolpiruvato ocorre em duas etapas: primeiro, o piruvato é convertido em oxaloacetato, depois este é transformado em fosfoenolpiruvato. Outra etapa envolve a hidrólise do fosfato no carbono 1 da frutose- 1,6-bifosfato, formando frutose-6-fosfato. A terceira reação é a hidrólise do fosfato no carbono 6 da glicose-6-fosfato, gerando glicose livre. A neoglicogênese ocorre no fígado, rins e células epiteliais intestinais. No fígado, os hepatócitos produzem glicose a partir de precursores como aminoácidos glicogênicos, lactato, glicerol e piruvato. Essa via é fundamental para manter a glicemia durante o jejum e quando as reservas de glicogênio hepático estão esgotadas. REGULAÇÃO DA NEOGLICOGÊNESE - Na glicólise, as enzimas regulatórias são hexocinase, fosfofrutocinase-1 (PFK-1) e piruvato cinase. Já na neoglicogênese, a regulação ocorre nos pontos equivalentes, ou seja, nas reações que substituem essas etapas irreversíveis da glicólise. Glicose-6-fosfatase: sua regulação não é alostérica, mas depende do nível de substrato, ou seja, da concentração de glicose-6-fosfato. Frutose-1,6-bifosfatase: é regulada alostericamente. Os moduladores são: AMP (- ), Frutose-2,6-bifosfato (-) e Citrato (+). Essa enzima apresenta regulação recíproca com a fosfofrutocinase-1 (PFK-1): altas concentrações de AMP ativam a PFK-1 e inibem a frutose-1,6-bifosfatase, favorecendo a glicólise; já altas concentrações de citrato inibem a PFK-1 e ativam a frutose-1,6- bifosfatase, promovendo a neoglicogênese. A frutose-2,6-bifosfato, formada pela PFK-2, é um potente ativador da PFK-1 e forte inibidor da frutose-1,6-bifosfatase. PIRUVATO CARBOXILASE E FOSFOENOLPIRUVATO CARBOXICINASE (PEPCK): - O acetil-CoA é um potente ativador da piruvato carboxilase e inibidor da piruvato quinase e do complexo piruvato desidrogenase (cPDH), promovendo assim a conversão do piruvato em oxaloacetato por carboxilação. - O glucagon, cujos níveis aumentam durante o jejum, ativa a PEPCK por meio da via do AMPc, tornando-a a principal enzima regulatória da neoglicogênese. - Os glicocorticoides também estimulam a PEPCK hepática, promovendo a neoglicogênese em estados de jejum. - Durante exercícios físicos intensos, a glicólise anaeróbia converte o piruvato em lactato. O acúmulo de lactato reduz o pH muscular, causando fadiga e dores. Após o exercício, a respiração permanece intensa para compensar o débito de oxigênio, necessário à regeneração de ATP e glicogênio a partir do lactato. A gliconeogênese permite integrações metabólicas entre fígado e músculos esqueléticos. CICLO DE CORI: Durante exercícios musculares vigorosos em que a glicólise produz piruvato e NADH numa velocidade muito alta para a oxidação aeróbia, há consumo de glicose proveniente do glicogênio muscular. O músculo em trabalho tem uma relação NAD+/NADHreduzida, o que favorece a conversão de piruvato em lactato e reoxidação do NADH. O músculo exporta o lactato para o sangue, sendo esse captado pelo fígado. O fígado assume uma relação NAD+/NADH alta, produz a glicose a partir do lactato pelo processo de neoglicogênese. A glicose segue para a circulação sanguínea e pode ser captada pelo músculo para refazer o glicogênio. A correlação entre o músculo e o fígado é chamada de Ciclo de Cori. Ciclo Glicose - Alanina: Nos músculos esqueléticos, o catabolismo de aminoácidos gera o íon amônio que é incorporado no alfa- cetoglutarato, formando o glutamato. O metabolismo glicídico produz piruvato. O glutamato mais o piruvato passam pela reação inversa de transaminação, gerando alfa- cetoglutarato e alanina. Essa última pode circular pelo sangue, sendo captada pelo fígado, onde passa pela reação direta de transaminação. Dessa forma, no fígado forma- se piruvato e glutamato. O glutamato passa por desaminação oxidativa, liberando amônia para o ciclo da ureia, e o piruvato entra na via de gliconeogênese. A glicose neoformada segue para o sangue, sendo captada pelos músculos esqueléticos e outros tecidos. Assim, o músculo não envia a glicose para o sangue, mas pode enviar a alanina, contribuindo com a produção hepática de glicose. A VELOCIDADE DA GLICÓLISE AUMENTA EM CÉLULAS TUMORAIS CANCEROSAS: - - Em vários cânceres, há aumento da captação de glicose e maior velocidade da via glicolítica, que fornece ATP para o crescimento dos tumores. Isso ocorre porque as células cancerosas se multiplicam em alta velocidade e ficam num ambiente de hipóxia. A hipóxia aumenta o Fator de transcrição induzível por hipóxia (HIF-1, de hypoxia-inducible transcription factor), que ativa a transcrição de 8 enzimas da glicólise e dos transportadores de glicose (GLUT1 e GLUT3). Além disso, ativa a expressão do Fator de crescimento endotelial vascular (VEGF- vascular endothelial growth factor), que induz o surgimento de neovasos (angiogênese) em torno do tumor. Com maior perfusão e maior consumo de glicose, as células tumorais se multiplicam em maior velocidade do que as células normais. VIA DAS PENTOSES-FOSFATO (Via do Fosfogliconato) 1.1 Funções Principais - Gera NADPH (poderoso agente redutor para biossínteses e defesa antioxidante). - Produz ribose-5-fosfato (precursor de nucleotídeos e ácidos nucleicos). - Ocorre no citosol. 1.2 Etapas da Via (Dividida em Fase Oxidativa e Não Oxidativa) A. Fase Oxidativa (Geração de NADPH e Ribulose-5-Fosfato) 1.Oxidação da Glicose-6-Fosfato em 6- Fosfogluconolactona • Enzima: Glicose-6-fosfato desidrogenase (G6PD). • Reação: G6P + NADP⁺ → 6- Fosfogluconolactona + NADPH + H⁺ Regulação: • Principal ponto de controle da via. • Inibição por NADPH (feedback negativo). 2. Hidrólise da 6-Fosfogluconolactona em 6- Fosfogluconato • Enzima: Lactonase. 3. Descarboxilação Oxidativa do 6- Fosfogluconato em Ribulose-5-Fosfato • Enzima: 6-Fosfogluconato desidrogenase. • Reação: 6-Fosfogluconato + NADP⁺ → Ribulose-5-fosfato + NADPH + CO₂ B. Fase Não Oxidativa (Reorganização de Açúcares) • Conversão de ribulose-5-fosfato em intermediários glicolíticos (Frutose-6- Fosfato e Gliceraldeído-3-Fosfato) ou ribose-5-fosfato (para síntese de nucleotídeos). - Enzimas-chave: • Transaldolase e Transcetolase (transferem unidades de carbono entre açúcares). 1.3 Regulação e Importância Fisiológica - NADPH é essencial para: • Biossíntese de ácidos graxos e colesterol. • Manutenção do glutationa reduzido (GSH) (proteção contra estresse oxidativo). • Deficiência em G6PD → Anemia hemolítica (falta de NADPH torna as hemácias sensíveis a danos oxidativos). CICLO DE KREBS (CICLO DO ÁCIDO TRICARBOXÍLICO) - O ciclo de Krebs é a via central do metabolismo aeróbico oxidativo. Carboidratos, lipídios e proteínas fornecem acetil-CoA para o ciclo. Oito enzimas catalisam a oxidação do acetil-CoA até CO₂. No ciclo, são formados equivalentes redutores (NADH e FADH₂) e GTP. Os equivalentes redutores são transferidos para o O₂ (aceptor final de elétrons) na cadeia transportadora de elétrons (CTE), para produzirem H₂O e ATP na fosforilação oxidativa. Como vimos anteriormente, a glicólise produz o piruvato, e este pode seguir por uma via anaeróbica ou aeróbica. Para o metabolismo aeróbico da glicose, o piruvato produzido no citosol é convertido em acetil-CoA na matriz mitocondrial, onde este é oxidado até CO₂. FORMAÇÃO DO ACETIL-COA - O acetil-CoA é obtido nas mitocôndrias pela descarboxilação oxidativa do piruvato. Para isso ocorre a formação de um complexo piruvato desidrogenase, localizado exclusivamente na matriz das mitocôndrias, apresentando-se em elevadas concentrações em tecidos como o músculo cardíaco e rim. Devido à grande energia livre-padrão negativa desta reação, sob condições fisiológicas, o processo é irreversível. As três enzimas que formam o complexo são: piruvato desidrogenase, diidrolipoil transacetilase (lipoato acetiltransferase) e diidrolipoil desidrogenase. Os diferentes grupos prostéticos ou coenzimas envolvidas na reação da piruvato desidrogenase são: tiamina pirofosfato, ácido lipóico, coenzima A, FAD e NAD+. A equação geral está descrita abaixo e em seguida descrevemos o mecanismo. A DESCARBOXILAÇÃO OXIDATIVA DO PIRUVATO 1- O piruvato reage com a tiamina pirofosfato (TPP) ligada a enzima piruvato desidrogenase. O dióxido de carbono é liberado e o acetil é ligado à TPP como um grupo hidroxietila. 2- Transferência do grupo hidroxietila da TPP para o ácido lipóico da segunda enzima do complexo, a diidrolipoil transacetilase e oxidação para formar a acetil diidrolipoamida. 3- Transferência do grupo acetil para a coenzima A, em reação catalisada pela mesma enzima. 4- O diidrolipoamida ligada à enzima é reoxidado por uma flavoproteína componente (FAD) da enzima diidrolipoil desidrogenase com a regeneração do lipoato. 5- Finalmente a flavoproteína reduzida é reoxidada pela transferência dos hidrogênios ao NAD+, formando NADH. O NADH transfere os elétrons para a cadeia respiratória onde são formados 2,5 moles de ATP na fosforilação oxidativa. Na glicólise, cada mol de glicose pode formar 2 moles de piruvato, que ao ser descarboxilado oxidativamente produz 2 moles de acetil-CoA e duas voltas no ciclo de Krebs. CICLO DE KREBS (I)- Descarboxilação oxidativa do piruvato pelo complexo piruvato desidrogenase (II)- Citrato sintase- catalisa a condensação do acetil-CoA com o oxalaocetato para formar o citrato de seis átomos de carbonos. (III) -Cis- aconitase – catalisa a formação do isocitrato. (IV)- Cis-aconitase. (V)- Isocitrato desidrogenase – Promove a descarboxilação oxidativa do isocitrato, transformando-o em -cetoglutarato, um composto de 5 átomos de carbono. (VI)- -Cetoglutarato desidrogenase- Transforma o -cetoglutarato em succinil- CoA, um metabólito de 4 carbonos rico em energia. Esta enzima requer os mesmos cofatores do complexo piruvato desidrogenase que incluem FAD, NAD+, CoA, TPP e lipoato. (VII)- succinil-CoA sintetase – catalisa a conversão do succinil-CoA em succinato com formação de 1GTP que é convertido em 1ATP pela nucleosídeo difosfato cinase. Esta é a única fosforilação em nível de substrato do ciclo. (VIII)- Succinato desidrogenase- converte succinato em fumarato com redução de do 1FAD para formar 1FADH2. (IX)- Fumarase –catalisa a hidratação do fumarato para formar L-malato (X)- L-Malato desidrogenase- Converte o L- malato em oxaloacetato com formação de 1 NADH. REGULAÇÃO DO CICLO - O complexo é regulado de forma alostérica pelas relações [ATP]/[ADP], [NADH]/[NAD1] e [acetil-CoA]/[CoA]. Quando estão elevadas significa que há riqueza energética, então inibem as enzimas regulatórias. - Citrato sintase: inibida pela alta [citrato]. - Isocitratodesidrogenase: inibida por altas [ATP]/[ADP] e alta relação [NADH]/[NAD+]. ativada pela elevação do ADP e Ca2+. - α-cetoglutarato desidrogenase: inibida por elevação de succinil-CoA e [NADH]/[NAD+]. ativada pela elevação do Ca2+. - Malato desidrogenase: inibida por alta relação [NADH]/[NAD+]. - Saldo do ciclo: 1 volta Consome 1acetil-CoA Consome 2H2O ,Formação de: 2CO2, 3NADH, 1 FADH2 e 1 ATP. CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS E FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA. - Os processos de transporte de elétrons são associados à membrana. Em bactérias, a cadeia de transporte de elétrons (CTE) acoplada à fosforilação oxidativa ocorre na membrana plasmática. Nos eucariotos, a CTE ocorre na membrana interna da mitocôndria (cristas mitocondriais). As mitocôndrias de eucariotos possuem uma membrana externa e uma membrana interna. Entre as duas membranas há o espaço intermembrana. - O ciclo de krebs oxida metabólitos até CO2 reduzindo as coenzimas NAD+ e FAD à NADH e FADH2. Cada um destes equivalentes redutores transferem um par de elétrons para a cadeia de transporte de elétrons, sendo o O2, o aceptor final dos elétrons, formando H2O. A energia liberada pelo transporte de elétrons é utilizada para gerar ATP. - O par de elétrons é transferido de um componente com menor potencial-padrão de redução para um outro componente da cadeia com maior potencial-padrão de redução. - O oxigênio com maior potencial é o aceptor final de elétrons. Complexo I - NADH-ubiquinona redutase ou NADH- desidrogenase é o primeiro componente da cadeia. É um complexo formado por mais de trinta cadeias polipetídicas, um grupo prostético FMN e sete centros Fe-S, num total de 20-26 átomos de ferro. O complexo I catalisa a transferência de 2 elétrons do NADH para a coenzima Q. O NADH formado nas reações catabólicas doa um par de elétrons para ao complexo I que fica reduzido. -A seguir o complexo I é oxidado ao transferir o par de elétrons para a ubiquinona ou coenzima Q. Complexo II - É chamado succinato-ubiquinona redutase ou succinato desidrogenase recebe elétrons do complexo I e do succinato. A transferência de elétrons do succinato envolve o FAD como coenzima e centros Fe-S. Os elétrons são transferidos para a coenzima Q (ubiquinona) que os transfere para o complexo III. A ubiquinona pode receber elétrons dos complexo I e II. Complexo III - Denominado de ubiquinol-citocromo c redutase possui várias subunidades, incluindo uma proteína Fe-S e os citocromos b e c1 com grupo heme. O complexo III transfere os elétrons para o citocromo c e este para o complexo IV. - O citocromo c como a quinona são transportadores móveis. O citocromo c fracamente se associa à membrana mitocondrial interna da mitocôndria (no lado do espaço intermembrana) para receber elétrons do Fe-S-Citocromo c1 agregado ao complexo III e migra ao longo da superfície da membrana no estado reduzido transportando elétrons para o citocromo c oxidase, o quarto complexo da cadeia. Complexo IV - Denominado de citocromo c oxidase porque recebe elétrons do citocromo c e os direciona para o O2. Este complexo catalisa a redução de 4 elétrons do oxigênio molecular (O2) para formar H2O. A enzima de mamíferos tem 12 polipetídeos, sendo que curiosamente, alguns dos polipetídeos são codificados no DNA nuclear e outros no DNA mitocondrial. Entre as cadeias do complexo IV estão os citocromos a +a3 com grupos hemes, dois átomos de cobre que se alternam entre os estados Cu+2 e Cu+ 1 à medida que os elétrons vão passando. - A energia livre do gradiente eletroquímico de prótons é usada para a síntese do ATP. O complexo enzimático tem 2 subunidades: O canal de translocação de prótons Fo e a subunidade catalítica F1. A dissipação do gradiente eletroquímico pelo transporte de prótons através do Canal Fo é acoplado à síntese do ATP por F1. A F1 é uma enzima de multi-subunidades e tem três conjuntos de dímeros interagindo entre si. Os dímeros existem em três diferentes estados de ligação de substratos: de baixa, média e alta afinidade. - A entrada de ADP na mitocôndria é acoplada à saída do ATP. O ATP é sintetizado na matriz das mitocôndrias, mas consumido em maior parte no citosol. A enzima ATP-ADP translocase transporta o ATP mitocondrial para o citosol da célula em troca do ADP que entra na matriz da mitocôndria, assim parte da energia do gradiente de prótons é gasta para esta atividade de transporte. Quando o par de elétrons passa pelos sítios 1, 2 e 3 de formação de ATP, são gerados 1, 1 e 0,5 ATP, respectivamente. Por este motivo é proposto atualmente a produção de 2,5 ATP por cada NADH que entra na CTE e 1,5 ATP para cada FADH2 por este último entrar na CTE, após o primeiro sítio de geração de ATP. - Como a CTE ocorre nas cristas mitocondriais, o NADH produzido na glicólise que ocorre no citosol envia seus elétrons para a mitocôndria através de 2 tipos de transporte: lançadeira do glicerol-3-fosfato e lançadeira malato/aspartato. LANÇADEIRA DO GLICEROL-3-FOSFATO - Nas células musculares e cerebrais predominam este tipo de lançamento. Conforme a figura 79, no citosol, os elétrons do NADH são transferidos para a diidroxiacetona-fosfato para formar glicerol-3- fosfato numa reação catalisada pela glicerol-3- fosfato desidrogenase. O glicerol-3-fosfato atravessa a membrana externa da mitocôndria e na superfície da membrana interna voltada para o espaço intermembrana, uma glicerol-3- fosfato desidrogenase mitocondrial catalisa a oxidação do glicerol-3- fosfato à didroxiacetona–fosfato com transferência dos elétrons para o FAD. Assim, 2NADH da glicólise geram 2 FADH2 mitocondriais que entram na CTE à nivel da quinona, após o primeiro sítio de geração de ATP e consequentemente por cada FADH2 será formado 1,5 ATP na fosforilação oxidativa. - Este tipo de lançadeira é típico de músculo de vôo de insetos que mantêm um alto grau de fosforilação oxidativa. LANÇADEIRA MALATO/ASPARTATO. - No fígado e coração, os elétrons do NADH citosólico são trazidos para mitocôndria pela lançadeira malato/aspartato que utiliza 2 transportadores e 4 enzimas.Os elétrons do citoplasma são transferidos para o oxaloacetato formando malato, o malato atravessa a membrana da mitocôndria sendo reoxidado na matriz pelo NAD+ que se torna NADH. O oxaloacetato resultante na mitocôndria é transaminado a aspartato que é transportado para o citosol. No citosol o aspartato pode ser transaminado à oxalocetato novamente. O NADH segue para a CTE e gera 2,5 ATP. DESACOPLADORES DA FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA - Geralmente são ácidos fracos lipossolúveis que desacoplam a fosforilação oxidativa do transporte de elétrons. São compostos que dissipam a força eletro-motriz do gradiente de prótons e a energia é liberada na forma de calor. O transporte de Desacoplamento fisiológico. - É um modo de produzir calor para manter a temperatura corpórea em animais em hibernação, em alguns mamíferos recém- nascidos (também em humanos) e nos mamíferos adaptados ao frio. Nestes animais, a produção de calor é feita pelos depósitos de tecido adiposo marrom (TAM). O TAM difere do tecido adiposo branco (TAB) por conter adipócitos multiloculares e pela atividade termogênica. Neste tecido a energia da termogênese é obtida da oxidação de ácidos graxos que gera NADH e FADH2 para a CTE. O tecido adiposo marrom tem inervação simpática e nos animais exposto ao frio, este tecido hipertrofia. A ativação do sistema nervoso simpático durante o frio ativa a termogênese. - As termogeninas ou proteínas desacopladoras (UCPs) desacoplam a fosforilação oxidativa da CTE. Essas proteínas são produzidas em muitos outros tecidos, tais como, os músculos esqueléticos, mas suas funções não estão ainda bem esclarecidas. IONÓFOROS - São compostos que induzem a utilização da energia do transporte de elétrons para o bombeamento de cátions (tipoK+) para dentro da matriz ao invés da síntese de ATP. São ionóforos, a valionomicina e gramicidina. INIBIDORES DO TRANSPORTE DE ELÉTRONS - Inibem o transporte de elétrons. Os mercuriais, a rotenona e amital inibem no sítio 1. O cianeto, ácido sulfídrico e monóxido de carbono agem no citocromo oxidase. A figura 82 mostra alguns inibidores do transporte de elétrons. BALANÇO DO ATP QUANDO 1 MOL DE GLICOSE É OXIDADA ATÉ CO2 E H2O 1-Glicólise - citosol - 1mol de glicose - 2 moles de piruvato - 2NADH - 2ATP 2-Lançamento dos elétrons do NADH da glicólise na mitocôndria - Cérebro e músculos esqueléticos - Lançadeira do glicerol- 3P 2NADH entregam elétrons para formar 2 Glicerol -3P que entrega para 2FAD mitocondrial formando 2 FADH2.Ou no Fígado e coração: lançadeira malato- aspartato 2NADH entregam elétrons para formar 2 malato que entrega para 2NAD+ mitocondrial formando 2 NADH. 3-Formação do acetil-CoA – Matriz da mitocôndria - 2 piruvato entram na mitococôndria e são convertidos em 2 Acetil-CoA, formando 2NADH, 2CO2. 4-Ciclo de Krebs - Matriz da mitocôndria 1 mol de Acetil-CoA dar 1 volta x 2 3NADH x 2 =6 1FADH2 x2 =2 2CO2 x2=4 2H2O (gastos) x 2 =4 1ATP x 2 =2ATP 5 – Cadeia Transportadora de elétrons - Fosforilação oxidativa C.T.E/F.O VITAMINAS - São micronutrientes necessários na dieta humana e de muitos animais para o crescimento e função adequados. São precursores essenciais de várias coenzimas. CLASSIFICAÇÃO 1)- Hidrossolúveis: Complexo B e vitamina C - O complexo B é formado por 8 vitaminas: B1- tiamina, B2- Riboflavina, B6- Piridoxina, B12- Cianocobalamina, niacina, biotina, ácido pantotênico e ácido fólico. A vitamina C é o ácido ascórbico. 2)- Lipossolúveis, A, D, E e K. A- Retinol, D2 – Ergocalciferol D3- Colecalciferol K1- Filoquinona, K2- Menaquinona K3- Menadiona E- Tocoferol VITAMINAS HIDROSSOLÚVEIS TIAMINA (B1) - Forma coenzimática ou ativa: Tiamina pirofosfato (TPP) Deficiências: Beribéri – Nesta doença há aumento de piruvato no sangue. É uma doença neurológica que se carateriza por debilidade muscular, falta de coordenação motora, neurite periférica, confusão mental, redução da frequência cardíaca, edema, morte por insuficiência cardíaca. Fontes de obtenção: carnes magras, feijão, nozes, cereais integrais, peixes, levedura, fígado, coração, rim, amendoim e trigo. RIBOFLAVINA (B2) Forma coenzimática ou ativa: FMN – Flavina mononucleotídeo FAD- Flavina adenina dinucleotídeo. - Função: FAD e FMN são coenzimas de flavinas desidrogenases que catalisam reações de óxido-redução, ou seja, transferência de elétrons. Deficiências - desordens na pele e nas membranas rachaduras nos lábios e cantos da boca (queilose), dermatite oleosa na pele. Fontes de obtenção: leite, fígado, ovos, carnes, levedura, coração, rim, trigo e vegetais amarelos. PIRIDOXINA (B6); - Forma coenzimática ou ativa: piridoxal- fosfato (interconvertível em piridoxamina) Função: coenzima de enzimas de reações de transferência de grupos amino, por exemplo: transaminases. Também participa de reações de descarboxilação e racemização. Reações de transaminação: - Em vias sintéticas ou de degradação, o glutamato participa de muitas reações metabólicas. - O cetoácido do glutamato é o - cetoglutarato que pode receber o grupo amino da maioria dos aminoácidos. A transaminação ocorre em duas fases: Na fase 1, o aminoácido doa seu grupo - amino para o piridoxal-fosfato (PLP) formando piridoxamina e um cetoácido. A transaminase está representada pela letra “É” e o aminoácido por “aa”. SIGINIFICADO CLÍNICO: - As transaminases estão amplamente distribuídas nos tecidos humanos. AST (aspartato transaminase) e a ALT (alanina tansaminase) encontram-se normalmente no plasma, saliva, bile e líquor. A TGP é a transaminase mais específica do fígado. Quando há aumento de transaminases no soro, as elevações da TGP persistem por mais tempo do que aquelas da TGO. CIANOCOBALAMINA (B12) NIACINA, NICOTINAMIDA OU ÁCIDO NICOTÍNICO ÁCIDO PANTOTÊNICO OU PANTOTENATO BIOTINA ÁCIDO FÓLICO OU FOLACINA ÁCIDO ASCÓRBICO OU VITAMINA C RETINOL OU VITAMINA A COLECALCIFEROL (VITAMINA D3) ERGOCALCIFEROL (VITAMINA D2) TOCOFEROL OU VITAMINA E