METABOLISMO

Metabolismo é o conjunto de transformações e reações químicas através das quais se realizam os processos de síntese e degradação de moléculas e macromoléculas celulares. Ele acontece com a ajuda de enzimas e está relacionado com três funções vitais que ocorrem no corpo humano: nutrição, respiração (oxidação de elementos essenciais para produção de energia química) e síntese de moléculas estruturais (utilizando a energia produzida).

O processo metabólico se divide em anabolismo (reações de síntese) e catabolismo (reações de degradação). Anabolismo são reações químicas que produzem nova matéria orgânica nos seres vivos. Por exemplo, a síntese de proteínas no tecido muscular a partir de aminoácidos. Catabolismo são reações químicas onde há uma quebra de substâncias. Por exemplo, a quebra da molécula de glicose que é transformada em energia e água.

Para manter as funções vitais (respiração, batida do coração, temperatura corporal, etc.), o organismo gasta uma grande quantidade de energia, é o que se chama de metabolismo basal. Há influência de diversos fatores no metabolismo, por exemplo, genética, idade, sexo, altura, peso, prática de atividade física, etc. O gasto de maior ou menor energia depende desses fatores.

GLICÓLISE

A molécula de glicose é considerada o principal substrato utilizado pelos seres humanos para obtenção de energia. O processo de oxidação da molécula de glicose (quebra) é denominado glicólise. Esse tipo de metabolismo pode ocorrer com ou sem a presença da molécula de oxigênio, fato esse que pode variar de acordo com o tipo de ser vivo em questão.

A glicólise tem por finalidade a obtenção ou produção de adenosina trifosfato (ATP) e redução da molécula de nicotinamida adenina dinucleotideo (NAD⁺) em NADH.

Na glicólise, com a degradação da glicose (hexose – molécula com seis carbonos), ocorre a formação de duas moléculas de piruvato ou acido pirúvico, (triose-molécula formada por três carbonos). Posteriormente, a molécula de piruvato pode ser utilizada para a síntese de acetil Coenzima-A (acetil-CoA), a qual dá início ao funcionamento do Ciclo de Krebs (também chamado de Ciclo do ácido cítrico), ou então pode ser utilizada no processo de fermentação.

  

ETAPAS DA GLICÓLISE

1ª Etapa:

Fosforilação da glicose em glicose 6-fosfato 

Esta reação química tem por finalidade adicionar um fosfato na molécula de glicose no carbono de número 6, dando origem à molécula de glicose 6-fosfato. Isso impede que a molécula de glicose retorne para a corrente sanguínea, ao mesmo tempo em que a direciona para que possa ser utilizada em meio intracelular, seja pela glicólise ou por outra via metabólica.  A adição de fosfato é mediada pela enzima hexocinase com gasto de ATP (consumo de energia).A reação mediada  pela enzima hexocinase é irreversível.

2ª Etapa:

Isomerização da molécula de glicose 6- fosfato em frutose 6-fosfato 

Nesta etapa do processo, a molécula de glicose 6-fosfato (aldose) sofre a ação da enzima fosfoglicose isomerase (também denominada fosfohexose isomerase), sendo  transformada no isômero, frutose 6-fosfato (cetose). Esta reação é reversível. 

3ª Etapa:

Fosforilação da frutose-6-fosfato 

Após o processo de isomerização da molécula de glicose 6-fosfato em frutose 6-fosfato, esta última sofrerá a ação da enzima fosfofrutocinase 1, a qual promovea fosforilação da frutose 6-fosfato com gasto de ATP, transformando-se na molécula de frutose 1,6-bisfosfato, uma molécula simétrica.

Esta reação é irreversível.

4ª Etapa:

Clivagem da molécula de frutose 1,6 - bisfosfato em duas trioses 

Esta etapa é mediada pela ação da enzima aldolase, a qual promove a quebra da molécula frutose 1,6-bisfosfato em duas trioses: di-hidroxiacetona fosfato (DHAP, uma cetose) e gliceraldeído 3-fosfato (GAP, uma aldose). 

 5ª Etapa:

Isomerização da dihidroxiacetona-fosfato

A glicólise é alimentada apenas por uma das duas trioses formadas – a aldose; assim, apenas a molécula de gliceraldeído 3-fosfato é utilizada na glicólise. Deste modo, a molécula de dihidroxicetona-fosfato não entra na glicólise;, porém, não significa que ela não será utilizada pelo organismo, pois, se essa molécula sofrer a ação da enzima triose fosfato isomerase, ela será convertida em gliceraldeído 3-fosfato. Portanto, as duas trioses são isômeros que podem ser convertidos de acordo com a necessidade celular. Essa é uma reação reversível. 

6ª Etapa :

Oxidação do gliceraldeído-3-fosfato 

Esta etapa ocorre de maneira reversível e com a participação da enzima gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase, a qual tem por função converter a molécula

de gliceraldeído 3-fosfato na molécula de 1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG), acarretando a liberação de um íon H^+, o qual será adicionado ao NAD⁺, sendo este transformado em NADH + H⁺. O fosfato adicionado na molécula de gliceraldeído 3-fosfato é um fosfato inorgânico (Pi). 

 7° Etapa

Transformação de 1,3-bisfosfoglicerato em 3-fosfoglicerato 

Nesta etapa de reação, ocorre a transferência do  fosfato do carbono 1 da molécula de 1,3-bisfosfoglicerato (molécula rica em energia) para a molécula de ADP, para que ocorra a síntese de ATP e 3-fosfoglicerato com a participação da enzima fosfoglicerato cinase, sendo esta uma reação enzimática reversível. Quando ocorre a síntese de ATP da maneira citada, podemos dizer que ocorreu uma fosforilação ao nível do substrato. Essa é uma reação reversível.

8° Etapa

Rearranjo da molécula de 3-fosfoglicerato 

Nesta etapa, a molécula de 3-fosfoglicerato sofre a ação da enzima fosfoglicerato mutase, a qual promove um deslocamento do grupo fosforila ligado ao carbono 3 para o carbono 2, formando a molécula de 2-fosfoglicerato.  Essa é uma reação reversível.

9° Etapa

Remoção de uma molécula de água do 2-fosfoglicerato

A molécula de 2-fosfoglicerato sofre a ação da enzima enolase de maneira reversível e, como consequência, ocorre a liberação de uma molécula de água (H₂O) e formação do fosfoenolpiruvato (PEP), uma molécula rica em energia (ligação dupla = enol).

10° Etapa

Síntese do piruvato

Esta é a última reação que ocorre na glicólise. A molécula de piruvato é formada a partir do fosfoenolpiruvato, quando este sofre a ação da enzima piruvato cinase, de maneira irreversível. Essa  enzima  tem por ação retirar a fosforila do PEP e transferi-la para a molécula de ADP, dando origem ao ATP e uma molécula de piruvato.

Fase Preparatória

Fase de Pagamento

A glicólise tem como resultado final, a partir do consumo de uma molécula de gliceraldeído 3-fosfato, a produção de uma molécula de NADH + H⁺, duas moléculas de ATP e uma molécula de piruvato.

A partir de uma molécula de glicose ocorre a formação de duas trioses, que são: dihidroxicetona-fosfato (DHAP) e gliceraldeído 3-fosfato (GAP), e o consumo de duas moléculas de ATP. Portanto, devemos considerar que, após a formação das trioses a partir de uma molécula de glicose, o processo deve ser considerado de maneira duplicada. Dessa forma teremos o seguinte rendimento:

·         Consumo de duas moléculas de ATP;

·         Síntese de duas moléculas de NADH + H⁺ ;

·         Síntese de quatro moléculas de ATP;

·         Síntese de duas moléculas de piruvato.

Podemos resumir o balanço geral da reação da glicólise em:

GLICOSE + 2P_i  + 2 ATP + 2 NAD⁺ ==> 2 PIRUVATOS + 2 NADH+ H⁺ + 2H⁺ + 2 ATP + 2 H₂O

REOXIDAÇÃO DOS NADH 

A oxidação do gliceraldeído 3-fosfato é acoplada à redução de moléculas de de NAD⁺ (Nicotinamida Adenina Dinucleótido). Estas moléculas são complexas e a sua produção é energética e materialmente caro para a célula, pelo que, uma vez reduzidas, não poderão permanecer neste estado. Assim, estas moléculas devem ser recicladas para serem reutilizadas em processos bioquímicos que exijam a sua presença. Isto é, deverão ser oxidadas.

Nos organismos aeróbios, a oxidação dos NADH em NAD⁺ ocorre na cadeia respiratória com um elevado rendimento energético. Em anaerobiose, pelo contrário, a regeneração dos NADH acontece de forma muito mais simples, através de processos bioquímicos designados por fermentação.

DESTINOS DO PIRUVATO

As duas moléculas de piruvato formadas a partir da utilização de uma molécula de glicose na glicólise podem ser aproveitadas de acordo com a necessidade celular. As células podem realizar o processo de fermentação (via anaeróbica) ou a descarboxilação do piruvato (com liberação de CO₂), tendo como resultado a molécula de acetil-CoA (utilizada no ciclo de Krebs, via aeróbia).

Referências bibliográficas

Imagens ilustrativas  retiradas do livro de Princípios de Bioquímica do autor Lehningher, David L. Nelson, Michael M. Cox, terceira edição.

Questões respondidas

Qual o principal substrato para a obtenção de energia nos seres humanos?

A molécula de glicose é considerada o principal substrato utilizado pelos seres humanos para obtenção de energia.

Qual é o principal objetivo dessa via?

A glicólise tem por finalidade a obtenção ou produção de ATP e redução da molécula de NAD⁺ em NADH.

Qual o principal produto desta  via e para onde ele será enviado?

Serão duas moléculas de piruvato formadas a partir da utilização de uma molécula de glicose na glicólise podem ser aproveitadas de acordo com a necessidade celular. As células podem realizar o processo de fermentação (via anaeróbica) ou a descarboxilação do piruvato (com liberação de CO₂), tendo como resultado a molécula de acetil-CoA (utilizada no ciclo de Krebs, via aeróbia).

Qual o resumo do balanço geral da reação de Glicólise?

GLICOSE + 2P_i  + 2 ATP + 2 NAD⁺ ==> 2 PIRUVATOS + 2 NADH+ H⁺ + 2H⁺ + 2 ATP + 2 H₂O

Se faltasse a enzima Triose Fosfato Isomerase, qual seria o saldo total de ATP’s ao final do ciclo?

Não haveria saldo de ATP. Esta enzima converte Gliceraldeído 3P em 1,3 Bifosfogluicerato  que posteriormente com a ação da Fosfoglicerato Cinase formaria a molécula de ATP. Sem a mesma isso não teria como acontecer.

FERMENTAÇÃO

A fermentação é um processo de liberação de energia que ocorre na ausência de oxigênio. Compreende um conjunto de reações enzimaticamente controladas, através das quais uma molécula orgânica é degradada em compostos mais simples. A função da fermentação não é formar energia, pois não se forma nenhuma molécula de ATP no processo, sua função é oxidar as moléculas de NADH formadas na glicólise para que essa via se mantenha funcionando para formação de ATP em condições de anaerobiose.

Existem dois tipos de fermentação: Fermentação alcoólica e Fermentação Láctica

Fermentação alcoólica

A fermentação alcoólica é realizada por algumas bactérias e leveduras, que fermentam o carboidrato produzindo álcool etílico (etanol) e gás carbônico.

Esta reação ocorre em duas etapas: a primeira é a descarboxilação do piruvato que é catalisada pela enzima piruvato descarboxilase, que precisa da coenzima tiamina pirofosfato, para formar a molécula de aldeído acético.  A segunda etapa é a redução do aldeído acético a etanol pelo NADH, numa reação catalisada pela enzima álcool desidrogenase. Esta última reação é importante, pois há a regeneração do NAD+.

As bebidas alcoólicas como a cerveja e o pão são possíveis produtos desta fermentação na indústria, pela utilização de micro-organismos como a levedura (fungo).

Cerveja: Os ingredientes utilizados para a preparação da cerveja são: água, cevada maltada e lúpulo, fermentados por levedura. Podem ser utilizados também outros condimentos ou fontes de açúcar.

 A cerveja é o resultado da fermentação alcóolica, no qual o cereal maltado mais utilizado é a cevada.

O gosto amargo característico da cerveja é derivado da flor do lúpulo, que serve para equilibrar a doçura do malte e agir como um moderado antibiótico, favorecendo a atividade da levedura e evitando com que haja proliferação de microorganismos indesejáveis. Nesse processo, as leveduras metabolizam os carboidratos extraídos dos cereais, produzindo compostos como álcool e dióxido de carbono.

O teor alcoólico contido na cerveja varia entre 4 e 5%.

Fonte: Google imagens

Fermentação láctica

O lactato (ácido láctico) é formado a partir de piruvato (produto final da Glicólise), num processo denominado fermentação láctica. Esta reação ocorre em vários microorganismos e pode ser realizada também pelas células musculares, quando estas realizam atividade física intensa e a quantidade de oxigênio é limitante. A redução de piruvato por NADH formando lactato é catalisado pela enzima lactato desidrogenase.

A fermentação láctica é utilizada para conservar alimentos, pois o ácido láctico atua preservando o alimento impedindo-o de ser deteriorado por microorganismos, como os putrefativos.

A fermentação pode ser dividida em: Fermentação Homoláctica e Fermentação Heteroláctica.

Na fermentação homoláctica, grande quantidade de ácido láctico é produzido.

E na fermentação heteroláctica outras substâncias são produzidas além do ácido láctico, como CO2, etanol e ácido acético.

Um clássico exemplo de fermentação láctica utilizada na indústria alimentícia é a produção de queijos e iogurtes.

Queijo: Vários tipos de queijos são produzidos por espécies diferentes de bactérias (Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc...), em culturas puras ou mistas. As bactérias produzem ácido láctico e outras substâncias que contribuem para o aroma. No processo ocorre aumento da acidez pela redução do pH, o que provoca a desnaturação das proteínas do leite.

Iogurte: A Lactose (açúcar do leite) é transformada em ácido láctico, que será o agente de coagulação do leite. Para essa transformação são usadas duas bactérias: Lactobacillus bulgaricuse Streptococcus thermophilus. Durante esse processo, aroma e acidez são monitoradas.

Fonte: Google imagens

Fermentação Láctica Muscular

É um processo alternativo que o organismo utiliza, frente a situações em que  ele não realiza respiração aeróbia. É ativado quando o organismo é submetido a um esforço muscular intenso em condições de baixa oxigenação, causando efeitos fisiológicos desvantajosos. Períodos extensos de exercícios físicos prolongados fazem com que as células musculares contenham altas concentrações de ácido láctico, prejudicando o seu funcionamento.

Em defesa do metabolismo, o organismo passa a sentir efeitos como dor e fadiga muscular, causada por uma contração gradativa e repentina atuando como sinal de alerta, fazendo com que haja o fim da atividade física para repouso e para restabelecimento  da capacidade fisiológica do órgão.

A medida com que o excesso de ácido láctico se difunde para o fígado, ele é convertido em ácido pirúvico e logo após em glicose armazenada na forma de glicogênio. Essa conversão é denominada gliconeogênese.

Referências bibliográficas

Imagens ilustrativas  retiradas do livro de Princípios de Bioquímica do autor Lehningher, David L. Nelson, Michael M. Cox, terceira edição.

Questões respondidas

Quando e necessário utilizar a via de fermentação?

Na ausência de oxigênio, ou seja um processo anaeróbico

Qual a função da fermentação lática

A fermentação láctica é um processo anaeróbio que visa degradar moléculas orgânicas para obtenção de energia (ATP), este processo é realizado em células de músculos esqueléticos.

No tecido muscular do nosso corpo, quando a atividade física é muito intensa, há insuficiência de oxigênio para manter a respiração e liberar a energia necessária. Explique o que acontece bioquimicamente no musculo.

 Nesses casos, as células degradam anaerobiamente a glicose em ácido lático. Esse ácido lático pode ser acumulado nos tecidos, originando a fadiga muscular. Cessada a atividade física, o ácido lático formado é transformado novamente em ácido pirúvico , que continua a ser degradado pelo processo da respiração

Na fermentação lática o acido pirúvico é transformando em outro acido pela utilização de ions do hidrogênio  transportados pelos NADH2. Qual seria esse acido?

Ácido lático

Como se origina o acido etílico na fermentação alcoólica?

Na fermentação alcoólica, o ácido pirúvico libera, inicialmente, uma molécula de CO2, formando um composto com 2 carbonos que sofre redução pelo NADH2, originando álcool etílico.

CICLO DE KREBS

O ciclo de Krebs é também conhecido por ciclo do ácido cítrico. É uma etapa da respiração celular que ocorre no interior das  mitocôndrias. Nessa via metabólica o Acetil-Coa é proveniente da Glicose sendo oxidado e formando moléculas redutoras de NADH e FAD2. Essas moléculas redutoras dirigem-se à cadeia transportadora de elétrons, promovendo condições para a síntese de 30 ou 32moléculas de ATP para cada molécula de glicose utilizada.

Explicando um pouco mais as etapas do ciclo de Krebs, podemos considerar o momento em que as moléculas de ácido pirúvico (PIRUVATO) resultantes da degradação da glicose penetram no interior das mitocôndrias, onde ocorrerá a respiração propriamente dita. Cada ácido pirúvico reage com uma molécula da substância conhecida como coenzima A, originando três tipos de produtos: acetil-coenzima A, gás carbônico (CO) e hidrogênios. O CO₂ é liberado e os hidrogênios são capturados por uma molécula de NADH_2.

Na primeira reação do Ciclo de Krebs, cada molécula de acetil-CoA reage com uma molécula de ácido oxalacético (oxaloacetato),resultando em citrato (ácido cítrico) e coenzima A, conforme mostra a equação abaixo:

1acetil-CoA + 1 ácido oxalacético         1 ácido cítrico + 1 CoA                   (2 carbonos)         (4 carbonos)                         (6 carbonos)

Analisando a participação da coenzima A na reação acima, vemos que ela reaparece intacta no final. Tudo se passa, portanto, como se a CoA tivesse contribuído para anexar um grupo acetil ao ácido oxalacético, sintetizando o ácido cítrico.

             Na segunda e Terceira reação,transfere-se OH da posição 3 para a posição 4,com isto é formado ácido isocitrico que será desidrogenado ao nível do OH.Na quarta reação,acontece a formação do ácido alfa-cetoglutario,onde a isocitrato-desidrogenase pode usar o NAD+ ou NADP+ como coenzima .

      Na quinta reação,o ácido cetoglutarico se descarboxila pela ação de um complexo enzimático,o alfa-cetoglutarato-desidrogenase,possuindo como coenzima o Pirofosfato de Tiamina,ácido lipoico e o FAD.

           Na sexta reação, acontece síntese de ATP por hidrólise do substrato,sendo um composto de potencial energético elevado.

    Na sétima reação ocorre a oxidação do ácido succinico por ação da succinato desidrogenase,sendo o FAD sua coenzima.

             O FADH2é capaz de ceder elétrons ao sistema transportador sendo o contrário do que se passa com às desidrogenases de NAD+ ou de NADP+.

            Na oitava reação, o ácido málico é oxidado a oxaloacético,encerrando desta forma o ciclo.

REAÇÃO GLOBAL DO CICLO DE KREBS

AcetilCoA + 3NAD⁺ + FAD + 2H2O→ 2CO2 + 3NADH + FADH₂ + GTP + 2H⁺ + CoA

              O ciclo de Krebs é uma via catabólica pelo fato de promover  a oxidação do acetil-CoA a duas moléculas de CO2, conservando parte da energia livre dessas reação na forma de coenzimas reduzidas (NADH e FAD2) que serão utilizadas na produção de ATP na fosforilzação oxidativa, última etapa da respiração celular. O ciclo também tem a função anabólica, sendo por isso classificada como um ciclo anfibólico. Para que esse ciclo tenha ao mesmo tempo função anabólica e catabólica as concentrações dos compostos intermediários formados são mantidas e controladas através de um complexo sistema de reações auxiliares que chamamos de reações anapleróticas. Um exemplo de reações anaplerótica é a carboxilação de piruvato para se obter oxalacetato, uma reação catalisado pela enzima piruvato carboxilase.

REGULAÇÃO DO CICLO DE KREBS

1.Citrato sintase: É a primeira enzima regulatória do ciclo de Krebs, onde dois substratos diferentes são utilizados, os quais: oxaloacetato e a acetil-CoA. O oxaloacetato liga-se primeiramente à enzima, induzindo alterações conformacionais que criam o local de ligação para a acetil-CoA. 

2. Isocitrato desidrogenase: enzima estimulada por ADP, aumentando sua afinidade para os substratos.Já o NADH inibe esta enzima. O ATP também é um inibidor.

3. Alfa-cetoglutarato desidrogenase: enzima inibida por succinil-CoA e NADH a qual pode ser inibida também por alta concentração de ATP.

Referências bibliográficas

Imagens ilustrativas  retiradas do livro de Princípios de Bioquímica do autor Lehningher, David L. Nelson, Michael M. Cox, terceira edição.

Questões respondidas

O que é o Ciclo de Krebs, quanta etapa possui e onde ocorre?

O ciclo de Krebs é também conhecido por ciclo do ácido cítrico. É uma a etapa da respiração celular que ocorre no interior das mitocôndrias  e possui 8 etapas ao total.

Explique o que ocorre quando o PIRUVATO penetra o interior das mitocôndrias.

No interior das mitocôndrias, ocorrerá então a respiração, cada ácido pirúvico reage com uma molécula conhecida como coenzima A originando três produtos: acetil-coenzima A, gás carbônico (CO) e hidrogênios, desta forma o CO2 é liberado e os hidrogênios capturados por uma molécula de NADH2.

Cite as enzimas envolvidas na regulação do Ciclo de Krebs e explique-as.

1. Citratosintase: É a primeira enzima regulatória do ciclo de Krebs, onde dois substratos diferentes são utilizados, os quais: oxaloacetato e a acetil-CoA. O oxaloacetato liga-se primeiramente à enzima, induzindo alterações conformacionais que criam o local de ligação para a acetil-CoA. 

2. Isocitratodesidrogenase: enzima estimulada por ADP, aumentando sua afinidade para os substratos.

Já o NADH inibe esta enzima. O ATP também é um inibidor.

3. Alfa-cetoglutaratodesidrogenase: enzima inibida por succinil-CoA e NADH a qual pode ser inibida também por alta concentração de ATP.

Por que o ciclo de Krebs é considerado uma via Catabólica?
Porque ele promove a oxidação do acetil-CoA O ciclo de Krebs é uma via catabólica pelo fato de promover a oxidação do acetil-CoA a duas moléculas de CO2, conservando parte da energia livre dessas reação na forma de coenzimas reduzidas (NADH e FAD2) que serão utilizadas na produção de ATP na fosforilzação oxidativa, última etapa da respiração celular.

Qual das enzimas estão ligadas à redução de NADH, exceto:
A)     Isocitrato desidrogenase
B)      Piruvato desidrogenase
C)      Succinato desidrogenase
D)     Lactato desidrogenase

Resposta Succinato desidrogenase