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1 BIOQUÍMICA AULA 2 Prof. Benisio Ferreira da Silva Filho 2 INTRODUÇÃO O entendimento do metabolismo celular é crucial para profissionais da área de saúde, pois fornece uma base fundamental para compreender o funcionamento e a regulação do organismo humano. A glicólise, primeira fase do metabolismo, é um processo no qual a glicose é quebrada para produzir energia na forma de ATP. Conhecer os detalhes desse processo é essencial para entender as condições metabólicas, como a diabetes, e para otimizar estratégias terapêuticas relacionadas à regulação da glicose. O ciclo de Krebs, ou ciclo do ácido cítrico, é uma etapa central na produção de energia celular. Durante esse ciclo, os produtos finais da glicólise são completamente oxidados, gerando moléculas precursoras e NADH, FADH2 e H+, que alimentam a cadeia respiratória. Profissionais de saúde precisam compreender o ciclo de Krebs para avaliar efetivamente a eficiência energética das células, diagnosticar disfunções metabólicas e desenvolver intervenções terapêuticas direcionadas a distúrbios metabólicos específicos. A fosforilação oxidativa, última fase do metabolismo, ocorre na membrana mitocondrial interna e é vital para a síntese maciça de ATP. Compreender esse processo é crucial para profissionais de saúde, pois a maioria das células do corpo humano depende da fosforilação oxidativa para obter a maior parte de sua energia. Mutações genéticas ou disfunções nesse sistema podem levar a uma variedade de distúrbios, incluindo doenças neurodegenerativas e distúrbios metabólicos, destacando a importância de um profundo conhecimento nessa área para a prática clínica e a pesquisa biomédica. TEMA 1 – METABOLISMO O metabolismo é um processo complexo e dinâmico que ocorre em todas as células vivas, sendo a soma total de atividades catabólicas, responsáveis pela quebra de moléculas, e anabólicas, dedicadas à construção de moléculas. O catabolismo envolve a degradação de substâncias complexas em componentes mais simples, liberando energia no processo. Em contrapartida, o anabolismo utiliza essa energia para sintetizar moléculas complexas necessárias para o crescimento, manutenção e funcionamento celular. 3 Dentro desse contexto, o metabolismo celular compreende uma série de reações químicas interconectadas que visam manter o equilíbrio e a homeostase nas células. Em suma, metabolismo é a ocorrência de duas atividades: uma de quebra de moléculas ou catabolismo e a outra de construção de moléculas, o anabolismo. Metabolismo é, portanto, a soma total de processos químicos que ocorrem em uma célula viva (ou seja, a soma do que ocorre catabolicamente e anabolicamente). 1.1 Energia, catabolismo e anabolismo Um grande desafio para os estudantes da área de ciências biológicas e da saúde é entender o conceito de Energia. A partir daí, fica fácil entender por que ao longo do estudo e também de outras o ATP é tão importante. A molécula de adenosina trifosfato tem que ser produzida pela célula em grande quantidade porque é ela que vai ser quebrada sem trazer prejuízo a célula e da sua quebra surge a energia em forma de calor. Portanto em bioquímica quando falamos de energia, estamos na verdade falando de calor, que se origina da quebra de moléculas, preferencialmente ATP (podendo também ser GTP – guanosina trifosfato) (Figura 1). Figura 1 – Adenosina Trifosfato (ATP) Crédito: Dream01/Shutterstock. 4 Assim, para que a célula gere calor dentro dela capaz de agitar os átomos e promover o movimento, é necessário que a célula produza uma molécula que seja fácil de ser quebrada em grande quantidade. Quanto mais energia necessária, mais moléculas para quebrar. Como a célula não vai ficar quebrando qualquer molécula, pois traria prejuízo, por exemplo, para produzir calor (energia), a célula quebraria uma proteína com uma função importante ou outra molécula com função crucial. Neste caso, ela constrói e quebra uma que não traga nenhum prejuízo e o ATP é importante e possui vários caminhos para que seja construído. Outro detalhe importante é que o ATP após sua quebra pode ser reconstituído de diversas maneiras não havendo de fato uma perda. Após a quebra do ATP, surge o ADP (adenosina difosfato) e o fósforo inorgânico que fica livre é adicionado em alguma molécula, que em outras reações pode sair dessas moléculas que foram fosforiladas e adicionadas ao ADP reconstituindo o ATP novamente. É cíclico (Figura 2). Figura 2 – Fosforilação Crédito: VectorMine/Shutterstock. 5 Essa liberação de energia é o que permite o movimento de proteínas permitindo que atividades como catabolismo, transporte e anabolismo seja possível. A atividade celular funciona, pois existe liberação de energia gerada da quebra de moléculas (principalmente o ATP). E a célula também depende das ações de quebra e síntese de moléculas. • Anabolismo – Formação de moléculas complexas a partir de substâncias simples por células vivas; • Catabolismo – Termo geral utilizado para as reações catalisadas por enzimas em uma célula, através das quais moléculas complexas são degradadas a moléculas mais simples, com liberação de energia (Figura 3). Para entendermos e aprendermos sobre metabolismo, é apresentada a sequência de eventos metabólicos: glicólise, Ciclo de Krebs e fosforilação oxidativa. Figura 3 – Anabolismo e catabolismo Crédito: Ph-HY/Shutterstock. 6 TEMA 2 – GLICÓLISE Resumo do que é a glicólise: • Sequência de reações no citoplasma da célula que produz ATP sem a participação de oxigênio molecular (O2); • A quantidade produzida mesmo pequena é positiva: 2 ATPs de lucro ATPs nas reações iniciais para produção de 4 ao final; • Além do ATP, é produzido também o piruvato, produto final da via glicolítica. É ele que entra na mitocôndria e faz parte do ciclo do ácido cítrico. Os organismos vivos predominantemente oxidam carboidratos, sendo a glicose a principal fonte de energia celular nesse processo. Originária das plantas e presente em diferentes níveis da cadeia alimentar, a glicose é uma molécula altamente energética. No entanto, para que as células aproveitem essa energia, é essencial convertê-la em uma forma utilizável, ou seja, em ATP (adenosina trifosfato), a molécula essencial no transporte e armazenamento de energia. A respiração celular, também conhecida como síntese de ATP, inicia-se com a glicólise, o primeiro passo no catabolismo de carboidratos. Antes de explorarmos as etapas dessa glicólise, é crucial compreender elementos como o NAD (nicotinamida adenina dinucleotídeo), uma coenzima que age como carreador de elétrons e hidrogênio, capturando energia para a produção de ATP. Essa molécula, ao alternar entre as formas oxidada (NAD+) e reduzida (NADH), desempenha um papel vital no processo metabólico. A glicólise ocorre no citosol, não requer oxigênio e consiste em uma série de reações catalisadas por diferentes enzimas. Mesmo que a glicose seja uma molécula rica em energia, a glicólise demanda um investimento energético inicial, recuperado ao final do processo. Esse investimento ocorre na fosforilação da glicose, onde duas moléculas de ATP são utilizadas. Ao longo das etapas subsequentes, ocorre a produção de ATP, destacando a eficiência do metabolismo celular na conversão da glicose em piruvato, uma molécula essencial para a produção de energia. 7 Figura 4 – Glicólise e enzimas glicolíticas Crédito: Julee Ashmead/Shutterstock. Dessa forma, a glicólise se desdobra em dois estágios, conforme mencionado anteriormente. Inicialmente, a glicose passa por uma fase preparatória, durante a qual é energicamente preparada para a subsequente quebra. Esse processo demanda o uso de duas moléculas de ATP. Na fase compensatória, as duas moléculasresultantes, cada uma com três carbonos, sofrem oxidação em várias etapas até se converterem em duas moléculas de piruvato. Nesse segundo estágio, ocorre a redução de duas moléculas de NAD+ para NADH, e quatro moléculas de ATP são geradas, embora haja um saldo líquido positivo de apenas duas moléculas de ATP, pois duas foram consumidas no início da glicólise. 8 Esse intricado processo metabólico destaca a eficiência da célula na obtenção de energia a partir da glicose, envolvendo a cuidadosa regulação de reações químicas interconectadas. O papel fundamental do NAD como carreador de elétrons é evidenciado nesse contexto, demonstrando como a energia é capturada e utilizada ao longo das diferentes etapas da glicólise. Compreender esses mecanismos é essencial para os profissionais da saúde, pois permite uma visão aprofundada das condições metabólicas e, consequentemente, uma abordagem mais precisa no diagnóstico e tratamento de distúrbios relacionados ao metabolismo celular. TEMA 3 – CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO (CICLO DE KREBS) Resumo do Ciclo de Krebs • Produz apenas 2 ATPs; • Tem papel importante por passar elétrons para o NAD e FAD, convertendo-os em NADH e FADH2; • O NADH e o FADH2 tem papel importantíssimo na Fosforilação oxidativa, afinal, a partir da produção deles nesta reação, na próxima serão produzidos 28 ATPs. Produzi-los é importantíssimo; • Tudo começa com o piruvato que foi formado na glicólise anteriormente... O Ciclo de Krebs, conhecido como Ciclo do Ácido Cítrico, é uma sequência de reações que se desenrola na matriz mitocondrial dos eucariotos e no citoplasma dos procariotos. Vale ressaltar a complexa estrutura da mitocôndria, com suas duas membranas limitantes e a membrana interna pregueada em cristas mitocondriais. O interior da mitocôndria, denominado matriz mitocondrial, é o palco onde ocorrem essas reações metabólicas cruciais. Essa etapa faz parte do metabolismo de organismos aeróbios, que utilizam oxigênio na respiração celular. Em contrapartida, organismos anaeróbios empregam mecanismos alternativos, como fermentação lática, acética e alcoólica. No Ciclo de Krebs, o piruvato proveniente da glicólise é oxidado a H2O e CO2, diferenciando-se da redução a lactato ou outros produtos da fermentação. Além da glicólise, outros macronutrientes, como lipídeos e proteínas, podem ser degradados em seus constituintes (ácidos graxos e aminoácidos) 9 para ingressar no Ciclo de Krebs. No entanto, eles também são convertidos em acetil-CoA, a forma predominante pela qual a maioria dos combustíveis entra no ciclo. Acetil-CoA, juntamente com as coenzimas NAD e FAD, desempenha um papel crucial na descarboxilação, um processo vital no ciclo. O primeiro passo significativo ocorre com a entrada do piruvato na matriz mitocondrial, onde é convertido em acetil-CoA por um complexo enzimático. Essa conversão envolve a liberação de uma molécula de CO2, resultando em uma estrutura com um carbono a menos. As nuances dessas etapas são visualizadas na Figura 5, ilustrando a complexidade e a precisão do Ciclo de Krebs na produção de moléculas energéticas essenciais. Figura 5 – Ciclo de Krebs, Ciclo do Ácido Cítrico, Ciclo do Ácido Tricarboxílico Crédito: Kadambari Pathania/Shutterstock. 10 O Ciclo de Krebs é inaugurado com a primeira etapa de condensação, em que o acetil-CoA se combina ao oxaloacetato para produzir citrato, uma molécula com seis carbonos. A segunda etapa envolve a conversão do citrato para cisaconitato, com a saída de uma molécula de água e a formação de isocitrato por hidratação. Na terceira etapa, ocorre a conversão do isocitrato para α- cetoglutarato (cinco carbonos), acompanhada por uma reação de descarboxilação e a primeira transferência de elétrons, resultando em NADH. A quarta etapa envolve novamente a descarboxilação, convertendo o α- cetoglutarato em succinil-CoA (quatro carbonos) e outra redução do NAD. Na quinta etapa, o succinil-CoA é convertido em succinato, associando um fosfato (Pi) a uma molécula de GDP, gerando GTP. A sexta etapa converte succinato em fumarato, com a transferência de elétrons pelo FAD, sendo reduzido a FADH2. Na sétima etapa, ocorre a hidratação do fumarato, formando o L-malato. Na última etapa, o L-malato é oxidado a oxaloacetato, reduzindo o NAD. Analisando o Ciclo de Krebs em sua totalidade, percebemos uma série de reações bioquímicas em que a energia armazenada na acetil-CoA é liberada progressivamente por meio de reações de oxidação-redução, conduzidas por coenzimas carregadoras de elétrons (NAD e FAD). Para cada molécula de acetil- CoA que ingressa no ciclo, há a liberação de duas moléculas de CO2, três moléculas de NADH e uma molécula de FADH2, além da geração de uma molécula de GTP (equivalente a ATP) por fosforilação. Além disso, os intermediários do ciclo desempenham funções cruciais em outras vias, especialmente na biossíntese de aminoácidos. Assim, as principais funções do Ciclo de Krebs incluem a produção de agentes redutores (NAD e FAD) e a função anaplerótica, em que intermediários participam de outras vias metabólicas. Na respiração celular, inspiramos O2 e expiramos CO2, sendo este último produzido no Ciclo de Krebs e liberado na atmosfera como um resíduo gasoso do processo aeróbico. Portanto, a respiração desempenha um papel estritamente metabólico, resultando na excreção de CO2 como um subproduto do metabolismo celular, uma consequência inerente à síntese de ATP. 11 TEMA 4 – FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA E A GRANDE PRODUÇÃO DE ATP Resumo da fosforilação oxidativa • Agora o oxigênio será usado; • Quase toda energia disponível pela queima de carboidratos, gorduras e outros produtos alimentares nos estágios iniciais da oxidação é primeiramente salva na forma de elétrons de alta energia removidos dos substratos por NAD e FAD; • A membrana interna capta a grande quantidade de energia liberada para promover a conversão de ADP + Pi em ATP. Por essa razão, o termo fosforilação oxidativa é usado para descrever esta última série de reações; • O NADH transfere seus elétrons para o oxigênio por meio de três grandes complexos enzimáticos; • As várias proteínas envolvidas estão agrupadas em três grandes complexos enzimáticos respiratórios, cada um contendo proteínas transmembrana que sustentam o complexo junto à membrana mitocondrial interna; • Cada complexo da cadeia tem afinidade maior para elétrons do que o seu predecessor, e os elétrons fluem sequencialmente de um complexo para outro até que sejam finalmente transferidos para o oxigênio, o qual tem, entre os componentes da cadeia, a mais alta afinidade pelos elétrons; • A íntima associação entre os carreradores de elétrons (NADH e FADH2) e as moléculas proteicas torna possível a fosforilação oxidativa; • Essa migração de elétrons entre os complexos proteicos gera o bombeamento de H+ através da membrana interna: Da matriz mitocondrial Espaço intermembranas Esse movimento de H+ tem duas consequências principais: 1. Gera um gradiente de pH através da membrana mitocondrial interna; 2. O movimento gera um gradiente de voltagem (potencial de membrana) através da membrana mitocondrial interna, com o lado interno e o lado externo positivo (como resultado da expulsão de íons positivos). 12 • O gradiente de pH dirige H+ de volta à matriz exercendo assim uma força próton-motriz; • O gradiente eletroquímico de prótons através da membrana mitocondrial interna é utilizado para direcionar a síntese de atp no crítico processo; • Fluindo através do gradiente eletroquímico a passagem de H+ pela enzima ATP-sintase que como um motor promove a reação energeticamente desfavorável entre ADP e Pi produzindo ATP; • Funcionamento por catálise rotatória. A cadeia respiratória, ou cadeia transportadora de elétrons, desempenhaum papel crucial na utilização da energia armazenada nos NADH e FADH2, que foram gerados durante a glicólise e o Ciclo de Krebs, para a produção de ATP. Como observamos, as células realizam reações químicas em que os carregadores têm a capacidade de transferir a energia contida nas ligações químicas de uma molécula orgânica inicial, como a glicose, até um sistema final capaz de sintetizar novas moléculas de ATP. Nos eucariotos, os carreadores de elétrons estão localizados na membrana interna da mitocôndria. No caso dos procariotos, que não possuem mitocôndria, a respiração celular ocorre no citosol, utilizando invaginações da própria membrana plasmática para realizar a cadeia respiratória. Essa diferenciação na estrutura celular destaca a adaptabilidade dos organismos em diferentes domínios da vida. Os elétrons provenientes do NADH e FADH2 atravessam complexos proteicos inseridos na membrana da crista mitocondrial, sendo direcionados em direção ao oxigênio. Os principais componentes desse sistema transportador de elétrons incluem complexos proteicos denominados complexo I, complexo II, complexo III e complexo IV. Cada um desses complexos desempenha um papel específico na transferência ordenada de elétrons, contribuindo para a criação de um gradiente protônico que, por sua vez, impulsiona a síntese de ATP. A complexidade e a coordenação desses processos ilustram a sofisticada maquinaria molecular envolvida na produção de energia nas células. 13 Figura 6 – Fosforilação oxidativa Crédito: W.Y. Sunshine/Shutterstock. O trajeto dos elétrons pela cadeia respiratória inicia-se com o NAD reduzido proveniente do ciclo de Krebs, reduzindo o complexo I, enquanto o complexo II reduz o FAD, ambos retornando oxidados para a glicólise e o Ciclo de Krebs, evidenciando o contínuo ciclo de reciclagem desses carregadores. Nos complexos I, III e IV, além da função de centros de oxidação-redução, a dissipação de energia transforma esses complexos em bombas de prótons, aumentando a concentração de prótons no espaço intermembrana da mitocôndria. Esses prótons retornam à matriz mitocondrial pela ATP sintase, que, ao alterar sua conformação com o retorno do próton, utiliza essa energia para a síntese de ATP. Todo esse caminho percorrido pelos elétrons visa liberar sua energia, essencial para bombear prótons para fora da parte interna da mitocôndria, resultando em uma carga positiva (H+). A matriz, por sua vez, adquire uma carga negativa. O retorno dos prótons à matriz ocorre pelo complexo proteico ATP sintase, posterior à etapa que envolve o complexo IV, onde elétrons, prótons e O2 se combinam para formar água. 14 A fosforilação oxidativa, fundamental para a formação de ATP, ocorre com o retorno dos prótons. Esse processo implica na adição de fosfato à molécula de ADP, catalisada pela ATP sintase. A presença de O2 é crucial como aceptor final nas múltiplas transferências de elétrons iniciadas desde a oxidação inicial da glicose. Este processo é complementar à cadeia respiratória, onde a fosforilação oxidativa é promovida. O ATP gerado na mitocôndria é liberado para ser usado como fonte de energia pela célula, enquanto os NAD e FAD retornam para dar continuidade ao processo de respiração celular. Importante notar que os elétrons só percorrem as proteínas da membrana da crista mitocondrial na presença de O2. Em sua ausência, a cadeia respiratória não ocorre, resultando na ausência de produção de ATP. Na respiração aeróbia de procariotos, são produzidas 38 moléculas de ATP por molécula de glicose, enquanto nos eucariotos, a produção é de 36 moléculas de ATP. Essa diferença se deve à perda de energia quando os elétrons atravessam as membranas mitocondriais que separam a glicólise (no citoplasma) da cadeia de transporte, uma separação ausente nos procariotos. Em microrganismos que realizam anaerobiose com um aceptor inorgânico de hidrogênio, a produção de ATP é variável, menor que 38, mas superior a 2. Aqueles que fermentam, usando uma molécula orgânica como aceptor final de hidrogênio, geram 2 moléculas de ATP por molécula de glicose. TEMA 5 – QUANDO FALTA OXIGÊNIO: FERMENTAÇÃO Pelo que foi apresentado, acredito que vocês entenderam que o sistema funciona da seguinte forma: • O produto da glicólise (pirutvato) vai até a mitocôndria, é convertido em acetil CoA e entrando na matriz mitocondrial, inicia o ciclo de Krebs (acetil CoA + Oxalacetato enzimaticamente convertidos em citrato). O ciclo de Krebs produzirá NADH, FADH2 e H+ que irão fazer a fosforilação oxidativa funcionar. Uma reação gera um produto que alimenta a outra dando uma continuidade e no final o oxigênio garante que haverá o funcionamento da cadeia fosforilativa. Mas, e se falta oxigênio? 15 Após a conclusão da glicólise, caso haja disponibilidade de oxigênio, as duas moléculas de piruvato resultantes da quebra da glicose são transportadas para o interior da mitocôndria, onde se desencadeia o processo de respiração celular. No entanto, na ausência de oxigênio, o piruvato segue o caminho da fermentação. Esse processo metabólico fermentativo ocorre independentemente do uso de oxigênio, gerando uma molécula orgânica, dióxido de carbono e duas moléculas de ATP. Essa adaptação metabólica demonstra a versatilidade das células em ajustar seus caminhos bioquímicos de acordo com a disponibilidade de oxigênio no ambiente. • A fermentação é uma forma de manter a célula ativa, produzindo mesmo que pouco ATP apenas com a glicólise. A fermentação, um processo metabólico intrinsecamente distinto da respiração celular, dispensa não apenas o oxigênio, mas também um sistema de transporte de elétrons. Nesse cenário, uma molécula orgânica desempenha o papel de aceptor final de elétrons. Essa rota metabólica culmina na produção constante de 2 moléculas de ATP, e o processo se caracteriza pela regeneração do NAD, um coadjuvante essencial nesse contexto bioquímico. Essa flexibilidade metabólica revela como as células podem se adaptar a condições variáveis para garantir sua sobrevivência e funcionamento adequado. • O processo é similar e possui a mesma dinâmica em células eucarióticas animais ou procarióticas. O produto final é determinado pela enzima existente nessa célula. Se a célula possui lactato desidrogenase o piruvato será convertido em lactato. Se a célula possui álcool desidrogenase, o piruvato será convertido em álcool. Nos músculos, quando as mitocôndrias não conseguem suprir a demanda energética durante atividades intensas, como exercícios físicos vigorosos, as células acionam a fermentação lática. Essa alternativa permite uma produção rápida, embora menos eficiente, de ATP para atender às exigências imediatas do organismo em movimento. O propósito subjacente à fermentação é liberar o NAD, essencial para capturar hidrogênio na quebra da glicose, sem depender do oxigênio. O ácido lático resultante desse processo contribui para a acidificação muscular, 16 associada a câimbras, fadiga e dores musculares, perceptíveis durante esforços físicos intensos, quando os músculos parecem queimar. Além disso, é importante reconhecer que certos microrganismos seguem uma rota metabólica diferente, realizando a respiração celular sem a presença de oxigênio, denominada respiração anaeróbia. Nesse caso, o aceptor final de elétrons não é o oxigênio, mas compostos inorgânicos como nitratos e sulfatos presentes no ambiente. Ao comparar com a fermentação, a respiração anaeróbia é mais eficiente energeticamente, embora menos vantajosa do que a respiração aeróbia em termos de produção global de energia. Essa diversidade de estratégias energéticas ressalta a incrível adaptabilidade dos organismos a diferentes condições ambientais. NA PRÁTICA Sugestões para estudar bioquímica: 1. Estabeleça uma dinâmica de interação entre oselementos, desenhando a célula ou o tecido e posicionando os elementos envolvidos; 2. Identifique as interações entre os elementos, compreendendo quem interage com quem, os produtos gerados e as consequências; 3. Crie uma sequência de eventos visualmente compreensível, destacando o início, as reações e o fim com o produto desejado ou sua eliminação; 4. Priorize a compreensão da dinâmica de interações antes de se preocupar com os nomes complicados, memorizando-os posteriormente. FINALIZANDO Saiba mais Se você leu o assunto, recomendo que você aprofunde seus estudos com a leitura do Biologia molecular da célula. Sempre faça uso de leitura complementar e lembre-se da importância de se estudar bioquímica ALBERTS, B. et al. Biologia molecular da célula. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 2017. 17 REFERÊNCIAS ALBERTS, B. et al. Biologia molecular da célula. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 2017. LEHNINGER, A. L.; NELSON, D. D.; COX M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica. 7. ed., São Paulo: Sarvier, 2019. LAURALEE S. Fisiologia humana: das células aos sistemas. 7. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2011. FINALIZANDO