2015 aula5 com

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Santo André - junho de 2015

Prof . Antônio Sérgio Kimus Braz

Aula 5

Metabolismo

RNA Word

BC 0304 -

Origem da Vida e

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Aumento da ordem interna

Diminuição da ordem interna

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A maioria das enzimas são proteínas

(mas nem todas proteínas são enzimas)

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Reações Químicas

Importantes para atividade biológica

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Como funciona uma enzima :

Responsável por catalizar as

reações metabólicas

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E: Enzima A : Substrato EA : Enzima-Substrato B : Produto A _B Acontece espontaneamente mas demora ... A _B E A B EA E

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Um dos meus projetos de pesquisa … Estudar efeito de de movimento do

movimento da proteinas em sua atividade catalitica (uso NMA e QM/MM)

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Metabolismo

Toda atividade química realizada pelo organismo

Dois tipos de atividades:Dois tipos de atividades:

Anabolismo= atividades envolvidas na utilização de energia

Catabolismo= atividades envolvidas na liberação de energia

grego:

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Crescimento celular, reprodução e

movimento

Componentes celulares tais como proteínas (enzimas),

DNA, RNA, carboidratos, lipídeos e estruturas celulares Degradação e quebra de substratos ou nutrientes Produtos da degradação servem como unidades Básicas para produção de compostos celulares Síntese de compostos e estruturas celulares Sistema de armazenamento e transferência de energia (acoplamento) R ea çõ e s _ex e rg ô n ic as R e açõ es en d erg ô nic a s

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Tipo nutricional Fonte de energia

Fonte de carbono

Exemplos

Fotoautotrófico Luz CO2 Bactérias fotossintetizantes:

cianobactérias, púrpuras e verdes Foto-heterotrófico Luz Compostos

orgânicos Bactérias fotossintetizantes: , púrpuras e verdes Quimioautotrófico Compostos

inorgânicos

(H2, NH3, NO2,

H2S)

CO2 Maioria das arqueas e algumas bactérias

Quimio-heterotrófico Compostos

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Energia = capacidade de realizar trabalho

Célula deve realizar diversos tipos de trabalho:

-Biossíntese das partes estruturais da célula, tais como

paredes celulares, membrana ou apêndices externos;

-Síntese de enzimas, ácidos nucleicos, polissacarídeos,

fosfolipídeos e outros componentes químicos da célula;

-Reparo de danos e manutenção da célula em boas condições;

-Crescimento e multiplicação;

-Armazenamento de nutrientes e excreção de produtos de escória;

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Fontes de energia

Energia química= energia contida na ligações químicas das

moléculas. Quando as ligações são quebradas a energia é liberada

Energia radiante= energia da luz. Utilizada por alguns

microrganismos. Energia da luz é convertida em energia química para que possa ser utilizada

Energia térmica= Forma de energia que não pode ser utilizada

pelos seres vivos. Entretanto é necessária para reações químicas. Ex: enzimas

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FONTES DE ENERGIA

-Alguns organismos usam a luz como fonte de energia. Convertem energia luminosa em energia química

-No entanto a maioria usa energia liberada de compostos químicos

(nutrientes, substratos) como fonte de energia. Quebra das ligações químicas libera energia

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Dois tipos de moléculas atuam frequentemente como carreadores de energia

NAD+ = Nicotinamida adenina dinucleotídeo

NADP+ = Nicotinamida adenina dinucleotídeo, na forma fosforilada

Transportam prótons (H+) e elétrons

ATP = Adenosina trifosfato

O ATP é a maior fonte de energia. Não pode ser utilizado indefinidamente. A célula armazena energia em polímeros de nutrientes=

polímeros de glicose (amido, glicogênio), material lipídico. polímeros são usados em situações de déficit.

Embora alguns organismos possam utilizar luz,

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NAD NAD+

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Mecanismos:

I) Fosforilação em nível de substrato: (fermentação..)

O grupo fosfato de um composto químico é removido e adicionado diretamente ao ADP

II) Fosforilação oxidativa (sistema de transporte de elétrons) (respiração) Energia liberada pela oxidação de compostos químicos é utilizada para síntese

de ATP

III)Fotofosforilação (sistema de transporte de elétrons) (Fotossintéticos)

Energia da luz é utilizada para síntese de ATP (semelhante a fosf oxid..)

Produção de ATP pelos microrganismos

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A quantidade de energia depende Da ligação química do grupo fosfato

O grupo fosfato é adicionado a algum intermediário que fornece energia para transferência do mesmo fosfato ao ADP.

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Tanto na fermentação quanto na respiração

resultado final produção de ATP

reação endergônica …

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Diferenças entre fermentação e respiração :

A) Fermentação :

i) oxidação está acoplada à redução de um composto gerado a partir do substrato inicial não havendo portanto um aceptor de elétrons externo...

ii) na fermentação o ATP é produzido por fosforilação a nível de subtrato ATP sintetizado durante o catabolismo do composto orgânico.

B) Respiração :

i) o oxigênio molecular ou outro aceptor atua como aceptor terminal de eletrons .. ii) na respiração ocorre a fosforilação oxidativa em que o ATP é sintetizado a custas da força próton motiva .. (membrana..)

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Oxidação: perda de elétrons (ou também perda de H)

oxidação= Zn – 2e- → Zn2+

redução= Cu2+ + 2e- → Cu

A Fosforilação oxidativa envolve um sistema de transporte de elétrons (CTE - série de reações integradas). Ocorre na membrana

citoplasmática em procariotos

► energia liberada aos poucos e mais eficientemente (até 45 %)

• sistema O/R: próximo membro do sistema tem maior capacidade para receber elétrons

• doador  (O/R)₁  (O/R)₂  (O/R)₃  (O/R)₄  aceptor

composto reduzido composto oxidado Fosforilação oxidativa

Fosforilação oxidativa

(principal processo de utilização de energia)

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Composto reduzido Composto oxidado que doa elétrons que recebe elétrons

Em aeróbios= receptor final é O2

Em anaeróbios= receptor final nitrito, sulfato ou ácido fumárico

Força proton-motiva= utilizada na síntese de ATP

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ácido básico

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Fotofosforilação

O NADPH é utilizado para reduzir o CO2: Processo de fixação do CO2

Organização do complexos protéicos na membrana fotossintética de uma

bactéria fototrófica.

O gradiente de prótons gerado pela luz é utilizado na síntese de ATP, catalisada pela ATP sintase.

-Luz é utilizada para produzir força protomotiva -Força protomotiva é utilizada para produzir ATP

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Exemplo mais importante de fotofosforilação

Cianobactérias= fotofosforilação ocorre no interior dos tilacóides (fotossíntese) membrana dos tilacóides contém clorofila (chl), pigmento verde que absorve luz

Além de realizar fotofosforilação as cianobactérias podem também utilizar CO₂como fonte de carbono (autotróficos)

Reduzem o CO₂ a carbohidrato (CH₂O)= fixação do CO₂ Fixação do CO₂ requer:

-ATP: usado como fonte de energia

-NADPH: usado como doador de elétrons para redução do CO₂

Geração de ATP e depende do fotossistema I (PSI) e fotossistema II (PSII) os quais contém clorofila

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Quimiosmose

Processo de transporte de elétrons através da cadeia, no qual ocorre simultaneamente o transporte de prótons para o lado oposto da membrana, criando força próton-motiva.

O retorno dos prótons para o citoplasma pela ATPsintase/ATPase gera energia que é usada (pela ATPase) para gerar ATP a partir de ADT e Pi

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Metabolismo quimiorganotrófico

-Uso de substâncias orgânicas como fonte de energia, carbono e elétrons

-Maioria das bactérias

-Principal composto usado: glicose (respiração e fermentação) - Podem ser utilizadas outras substâncias. É necessário que célula possua enzimas para degradá-las. Enzimas são normalmente

induzidas pelo composto. Ex: frutose, lactose, amido, glicogênio, lipídeos, proteínas

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Respiração aeróbia e aneróbia

Glicolise ciclo de Krebs fosforilação oxidativa

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Respiração aeróbia

Grande quantidade de ATP é gerada: 38 ATPs

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O ciclo de Krebs

(ciclo do ácido cítrico ou

ciclo dos ácidos tricarboxílicos)

-A degradação da glicose por organismos aeróbios

normalmente não para com a produção do ácido pírúvico.

-Coenzimas NADH e FADH doam elétrons para o sistema de

transporte para geração da força protomotiva e geração de ATP

-Átomos de carbobo do acetil-CoA são liberados na forma de CO₂

Durante o ciclo de Krebs vários intermediários podem ser

enviados para síntese de diversos componentes celulares como

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Respiração aeróbia

Complexo

NADH desidrogenase

quinona Citocromo bc citocromo aa Citocromo c

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Outros exemplos de vias metabolicas

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Fotossíntese Extra...

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5 famílias de bactérias fotosintetizantes

1 . Chloroflexus (green non-sulfur bacteria, Chloroflexaceae), 2. Rhodospirillum (purple bacteria, Rhodospirillaceae),

3. Chlorobium (green sulfur bacteria, Chlorobiaceae), 4. Heliobacterium (Gram-positive, Heliobacteriaceae), 5. Nostoc (Cyanobacteria, Nostocaceae).

1 2 3 4 5

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Fotofosforilação

O NADPH é utilizado para reduzir o CO2: Processo de fixação do CO2

Organização do complexos protéicos na membrana fotossintética de uma

-Luz é utilizada para produzir força protomotiva -Força protomotiva é utilizada para produzir ATP

sistema de transporte de elétrons

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Expansão do Dogma central pelos vírus !!!!

replicação replicação Transcrição Tradução Transcrição reversa

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Quem veio primeiro Proteína, DNA ou RNA ?

O que veio primeiro o replicador (DNA ou RNA) ou metabolismo enzimático (proteínas)

toda enzima é uma proteína (até inicio da década de 80)

“

“Nem toda proteína é uma enzima mas toda enzima é uma proteína ...”Nem toda proteína é uma enzima mas toda enzima é uma proteína ...”

Toda regra tem uma exceção !

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Toda regra tem uma exceção !

RNAs enzimáticos

descoberta das Ribozimas

> Em 1981 descreveu-se pela primeira vez este fenômeno em intron,s do tipo I no ciliado TetrahymenaTetrahymena

... outras atividade demonstradas ! > clivagem

> ligação > ...

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Composição :

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RNA

Compostos presentes no ambiente pré-biótico:

relacionados a ác. nucleicos

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Alguns dos principais tipos de RNA

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As possibilidades estruturais do RNA Reatividade do OH em C2

Ribozimas

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Tipos de estruturas de um RNA

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Atividades envolvendo ácidos nucleicos:

# Replicação

# Transcrição

# Tradução

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Auto-replicador

• _{Qualquer entidade capaz de guardar e}

transmitir informação para criar copias de si

mesma

• _{Elemento egoísta (selfish)}

• _{Primeira provável RNA (mundo do RNA)}

• _{Papel hoje desempenhado pelo DNA}

• _{Alguns vírus ainda usam RNA}

• _{Outros entidades (vírus de computador,}

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O que um auto-replicador deve fazer ?

• _{Fazer copias de si mesmo}

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Atualmente o é DNA

Molécula que guarda

informação para

auto-replicação

• _{Localização}

– Procariontes no citoplasma

– Eucariontes no núcleo e mitocôndrias e cloroplastos

• _{Estruturas de organização}

• Cromossomos

• Plasmídeos

• Replicadores exógenos Vírus e agentes subvirais (DNA & RNA)

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# Replicação

DNA → DNA

DNA polimerase dependente de DNA

RNA → RNA

RNA polimerase dependente de RNA

Nome da enzima :

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REPLICAÇÃO : DNA-> DNA

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Nucleotídeo (nt)

Fosfato

A ligação entre o grupo fosfato e a pentose

ligação fosfodiéster=grupamento fosfato ligado ao carbono-5 de um nucleotídeo e à hidroxila (OH) ligada ao carbono C3 de outro nucleotídeo.

ligação fosfodiéster

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# Transcrição

DNA → RNA

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TRANSCRIÇÃO: DNA → RNA

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Introns do tipo I no ciliado TetrahymenaTetrahymena ribozima

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# Tradução

RNA → Proteína

Ribossomos e tRNAs

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Ribozimas

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Exemplos de Ribozimas :

> Ribonuclease P (RNAse P)

> Introns classe I

> Diels–Alderase ribozyme

> glmS ribozyme

> hammerhead ribozyme :

Viroides

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Viróides

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Quais as atividades necessárias as Ribozimas originais ?

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Possíveis atividades necessárias as Ribozimas originais

* RNA Polimerase

* Metabólica : síntese de componetes doRNA ? * Síntese de Proteínas

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RNA Polimerase

Sintetiza outras fitas de RNA a a partir de NTPs Fundamental para explicar o mundo de RNA

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Ribozima RNA polimerase

Etapas sucessivas de evolução invitro de uma ribozima RNA Polimerase

Somente atividade RNA ligase Polimeriza NTPs

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Evolução in vitro de Ribozima

Velocidade de Reação Molar/minuto

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Metabólica : síntese de NTPs

Seria necessário sintetizar mais NTPs ?

Inicialmente não ...(teria de haver disponível !)

Mas daria uma grande vantagem evolutiva para aqueles que conseguissem !!!

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Via Hipotética de síntese de RNA por Ribozimas....

a) formação de Ribose

b) formação de pirimidina

c) formação de purina

D) adição de purinas e pirimidinas a ribose para formação de nucleosídeo E) Fosforilação de nucleosideo para formação de nucleotídeo

F) Ativação de nucleotídeo pela transferência

G) Adição de um nucleotídeo a extremidade 3' do primer de RNA H) sucessivas adições de nucleotídeos resultando num extensão I) regeneração do NTP

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Síntese de Proteínas

passo importante para a evolução do mundo de RNA para o mundo de RNA + Proteína !!!

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Via Hipotética de síntese de proteínas por Ribozimas ....

Transição para o mundo RNA + Proteína RNP world

A) Ativação de um aminoácido

B) Transferência de um aminoácido ativado para o terminal do tRNA C) Transferência peptidica resultando em um dipeptídeo

d) sucessivas transferências peptidicas resultando em um polipeptíde

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Transição de mundos

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Compartimentalização papel chave ...

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MOSTRAR VIDEOS

Polimerização

RNA pol RNA depende ribozima

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---Alternativas ao RNA como replicadores originais (ou candidatos a ancestrais de RNA)

Ou alternativas que poderíamos encontrar em outros mundos

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Ácidos nucleicos de ...

Treose

Threose nucleic acid TNA

Peptideo

Peptide nucleic acid PNA

Glicerol

glycerol nucleic acid GNA

piranosil

pyranosyl-RNA. B nucleic acid

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Importância do RNA hoje !

mRNAs , tRNAs, rRNAs Virus de RNA :

importantes patógenos Telomerase :

manutenção da extremidade dos cromossomos) Intros :

splicing alternativos e regulação de genes Retrotransposons :

modificações no arranjo de genes no cromossomo e duplicações genicas RNA interference e microRNAs :

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Complexidade e introns

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Tempo em milhares de anos ...

Nº de miRNAs adquiridos

Correlação direta entre complexidade e nº de miRNAs

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