APOSTILA_001_Introducao_ao_Metabolismo_2011-1_007 (1)

Termodinâmica

Energia (Calor) Trabalho (movimento) Máquina à vapor Leis: 1ª Lei: Princípio da conservação da energia:

A energia não pode ser criada nem destruída. Pode somente mudar a forma ou o local em que ela se apresenta

2ª Lei:

Princípio da “desordem crescente”

Nos processos espontâneos há uma tendência a aumentar o grau de desordem. o universo sempre tende para a desordem crescente: em

todos os processos, naturais a entropia do universo aumenta.

“Termodinâmica é o conjunto de princípios que regem as transformações de energia”

Os dois componentes de DG

Energia livre de Gibbs, G:

Quantidade de energia associada a uma reação, capaz de realizar trabalho.

Quando a reação libera energia a variação na energia livre de Gibbs tem sinal negativo DG<0 (exergônica)

Quando a reação absorve energia a variação na energia livre de Gibbs tem sinal positivo DG>0 (Endergônica)

Entalpia, H:

É o conteúdo de calor de um sistema.

Reflete o número e o tipo de ligações químicas nos reagentes e nos produtos Quando uma ligação libera calor DH tem, por convenção ,um sinal negativo.

DH< 0 (Exotérmica)

Quando uma ligação absorve calor DH tem, por convenção ,um sinal positivo DH>0 (Endotérmica)

Entropia, S:

É uma expressão do grau de desordem de um sistema.

Quando os produtos de uma reação são menos complexos ou mais desordenados que os reagentes a reação ocorre com ganho de entropia

DS>0 (Aumento da desordem)

DS<0 (Diminuição da desordem)

D

G=

D

H -T

D

S

A variação de energia livre (DG) depende da variação do conteúdo de calor (DH) e da variação no grau de desordem

Os dois componentes de DG

D

G=

D

H -T

D

S

Entalpia

Entropia

(calor)

m

d

e

s

or d

_e

Quanto mais calor

for liberado mais

favorável é a reação

Quanto maior for o

aumento na

desordem, mais

favorável é a reação

Variação da entropia na combustão da

glicose

Glicose (um sólido) O₂ (um gás)

7 moléculas

CO₂ (um gás) H₂O (um líquido)

12 moléculas

gelo água vapor

Introdução ao Metabolismo

Metabolismo – é o conjunto das reações

bioquímicas que ocorrem em um organismo

Metabolismo energético

parte do metabolismo que diz respeito ao armazenamento e utilização de energia

Metabolismo de lipídeos

diz respeito a síntese e degradação de lipídeos

Metabolismo de açúcares

diz respeito a síntese e degradação açúcares A unidade do metabolismo é a via metabólica:

 Cada via metabólica tem uma função Para que serve na célula?

 Cada via metabólica tem sua regulação Como é ligada e desligada?

 Cada via metabólica tem suas conexões Com que outras vias se conecta?

Mapa metabólico

v

Existem alguns intermediários-chave no metabolismo energético 1) Glicogênio 2) Piruvato 3) Acetil—CoA 4) Ácido graxo 5) Aminoácidos Observações: Seis delas se agrupam em pares

Glicogênese (1) X glicogenólise (2) Glicólise (3) X Gliconeogênese (4) Síntese de ác. Graxo (8) X Ox. ác. Graxo (9)

Duas são cíclicas:

Ciclo de krebs (6) Ciclo da uréia (11)

Vias do

metabolism

o energético

Glicose Piruvato Ribose Acetil—CoA Ácido graxo gli có lis e gl ic o n eo gê n e se Via das pentos_es Síntes e de á c. grax o Oxid ação de á c. gr_axo gl ic o gê n e se gli co ge n ó lis e Glicogênio Fosforilação oxidativa Ciclo da uréia Aminoácidos Oxid_ação de a_ác. 1 2 3 4 5 Ciclo de Krebs 6 7 8 9 10 11

NH

₃ (amônia)

CO

₂

H

v v v uréia _O2 H₂O ADP ATP

Catabolismo X Anabolismo

Catabolismo é a fase de degradação do metabolismo em que moléculas orgânicas de nutrientes (carboidratos, gorduras e proteínas) são convertidos em moléculas menores e mais simples produtos (como o ácido láctico, CO2, NH3).

As vias Catabólicas

liberam energia.

Parte dessa energia é aprisionada: • na molécula de ATP • nos transportadores de elétrons (NADH, NADPH e FADH₂), • o restante é perdida como calor No anabolismo (biossintese) moléculas complexas (lipideos, polissacarídeos, proteínas, ácidos nucléicos) são

produzidos à partir de precursores simples As reações anabólicas exigem uma entrada

de energia, geralmente sob a

forma :

• das ligações

fosfoanidrido do ATP e • do poder redutor do

NADH, NADPH e FADH₂

Macromoléculas •Proteínas •Polissacarídeos •Lipídeos •Ácidos nucléicos

A

n

ab

o

lis

m

o

C

at

ab

o

lis

m

o

Nutrientes •Carboidratos •Gorduras •Proteínas Energia química Produtos finais • CO₂ • H₂O • NH₃ Moléculas Precurssoras •Aminoácidos •Açúcares •Ácidos graxos •Bases nitrogenadas

ATP

um carreador de grupamentos fosfato e de energia quimica

Via glicolítica

Fosforilação oxidativa

Biossínteses

Formação de gradientes (transporte)

Movimentação celular Glicose Piruvato O₂ + H+ ₊ e-H₂O

ATP

ADP + Pi

Fosforilações

Estrutura do Trifosfato de adenosina (ATP)

P P Ribose Base P ATP Pensando simples Vias exergônicas

Como sistema ATP—ADP funciona

Quantidade de Energia Contida na molécula P fosfato P P Ribose Base ADP a b P P Ribose Base P ATP g a b Quando o fosfato se liga ao ADP absorve grande quantidade de energia, que fica armazenada na forma de uma ligação de alta energia ( )

Quando a ligação é quebrada essa energia é liberada Energia

As variações de energia são aditivas

Soma

:

Cada reação, (1) e (2), tem sua constante de equilíbrio

Como são reações seqüenciais B se cancela durante a soma

A reação total A  C tem sua própria variação de energia que é a soma das variações de energia das reações parciais

Esse princípio explica como uma reação termodinamicamente desfavorável (endergônica) pode ser direcionada para a frente quando acoplada a uma reação altamente exergônica através de um intermediário em comum

Ex:

Energias livres padrão de hidrólise de alguns compostos fosforilados e do acetil-CoA (um tioéster)

Obs. _DG’o

(kJ/mol) (kcal/mol)

Fosfoenolpiruvato Intermediário da glicólise -61.9 -14.8 1,3-bisfosfoglicerato

( 3-fosfoglicerato + Pi)

Intermediário da glicólise -49.3 -11.8

Fosfocreatina -43.0 -10.3

ADP (AMP + Pi) fosfoanidrido -32.8 -7.8 ATP (ADP + Pi) fosfoanidrido -30.5 -7.3 ATP (AMP + PPi) fosfoanidrido -45.6 -10.9 PPi ( 2Pi) fosfoanidrido -19.2 -4.0 glicose 1-fosfato Intermediário da glicólise -20.9 -5.0 Frutose 6-fosfato Intermediário da glicólise -15.9 -3.8 Glicose-6-fosfato Intermediário da glicólise -13.8 -3.3

Glicerol 1-fosfato -9.2 -2.2

Acetil-CoA -31.4 -7.5

M-P + H

₂

O  M + Pi

Identificando o estado redox dos átomos de

carbono

Totalmente oxidado Totalmente reduzido O H Função química - 3 Alcano 1 3 Alcool 1 1 (0) Aldeído(cetona) 2 1 Ácido carboxílico 2 - Gás carbônico Quando examinamos uma molécula ou grupamento químico: Oxigênio é um indicador de oxidação Hidrogênio é um indicador de redução Muita energia Nenhuma energia

Moléculas importantes como combustíveis

enegéticos

Qual é mais reduzida e qual é mais oxidada?

Qual vai liberar mai energia após sua oxidação total? Qual tem potencial para produzir mais ATP?

Um exemplo de reação redox

Lactato (álcool) Piruvato (cetona) Lactato desidrogenase

Oxidação do lactato a piruvato Desidrogenação:

dois elétrons e dois íons de hidrogênio (o equivalente a dois átomos de

hidrogênio) são removidos do C-2 de lactato, um álcool, para formar piruvato, uma cetona.

Nas células a reação é catalisada pela enzima lactato desidrogenase e os elétrons são transferidos para um cofator chamado nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+_).

NADH e NADPH

transportadores solúveis de elétrons

No NADP este grupo hidroxila é esterificado com fosfato

P P Ribose Base Base P Fórmula esquemática do NAD(P)+ + NAD+ (NAD oxidado) NADH (NAD reduzido) nicotinamida adenina

Capacidade de se oxidar e se reduzir

A nicotinamida é o grupamento funcional Incorpora um íon hidreto (H₂-₎

Funções do NAD e do NADP

NAD  oxidação de combustíveis NADP  biossíntese

Via glicolítica

Ciclo de Krebs Oxidação de

ácidos graxos _{Cadeia de}

transporte de elétrons

NAD

+

NADH

O

₂

H

₂

O

Biossíntese de lipídeos Outras biossínteses Via das pentoses

NADPH

NADP

+

Glicose (C6)

Pentose (C5)

Vias Anabólicas

Vias Catabólicas

Outras vias oxidativas

Deficiência

em niacina causa a Pelagra

Pelagra – do italiano “pele áspera” Sintomas (3 Ds)

• Dermatite • Diarréia • Demência

Nos EUA entre 1912 e 1916, 100.000 pessoas foram afligidas pela pelagra, ocorreram 10.000 mortes

Em 1920 Joseph Goldberguer mostrou que a pelagra era dívida à uma deficiência nutricional

Em 1937 um grupo de pesquisadores identificou a niacina como agente

curativo para essa doença

O ácido nicotínico foi produzido pela primeira vez em laboratório à pratir da nicotina, daí seu nome. Mas a ingestão de nicotina não tem nenhum efeito curativo sobre a pelagra

Niacina

(ácido nicotínico) Nicotinamida Nicotina

FAD e FMN

transportadores de elétrons associados à proteínas

Isoaloxazina (flavina) FADH• (FMNH• ) (Semiquinona) FADH₂ (FMNH₂) (Totalmente reduzido) FMN FAD

Flavina adenina dinucleotídeo (FAD) e mononucleótido de flavina (FMN) P P Ribose R ib o se Base Base P R ib o se Base Pensando simples FAD FMN Capacidade de oxirredução Flavina é o grupamento funcional Incorpora H₂

Variações de

nas reações químicas

energia

D

G

Lê-se: variação na energia livre de Gibbs D= variaçãoG = energia livre de Gibbs

A

B

D

G é usada como medida na variação de energia das reações

D

G serve como uma medida da espontaneidade da reação

Qundo DG é negativo significa que a reação libera energia e

portanto é espontânea

A

B

D

G negativo

Quando DG é igual a

zero significa que a

reação se equilibra com concentrações iguais de reagentes e produtos

A

B

D

G = 0

Quando DG é positivo significa que a reação absorve energia. Isso significa que a reação

inversa é espontânea

A

B