Baixe Bioquímica Básica - Introdução ao Metabolismo e outras Notas de estudo em PDF para Medicina, somente na Docsity! ANÁLISES C VALTER T. MOTTA BIOQUÍMICA BÁSICA Introdução ao Metabolismo 4 Introdução ao Metabolismo Objetivos 1. Aplicar as leis da termodinâmica às reações bioquímicas. 2. Conceituar entalpia, entropia e energia livre. e Identificar o sentido de uma reação enzimática em função do valor da energia livre padrão ou da constante de equilíbrio químico. Descrever as reações acopladas. Conceituar os compostos ricos em energia. Descrever as propriedades do ATP e seu papel no metabolismo. Interrelacionar o anabolismo e catabolismo. Discutir as estratégias intracelulares de regulação do metabolismo. von oa a Discutir o controle extracelular do metabolismo em relação a influência hormonal sobre o metabolismo celular. 10. Discutir a produção e o papel dos segundos mensageiros na transdução de sinal. 11. Discutir o mecanismo de ação dos hormônios hidrofóbicos. Os processos físicos e químicos realizados pelas células vivas envolvem a extração, a canalização e o consumo de energia. Os mamíferos empregam energia química extraída das moléculas de nutrientes (carboidratos, proteínas e lipídeos não-esteróides) para realizar suas funções. Os processos químicos celulares são organizados em forma de uma rede de reações enzimáticas interligadas, nas quais, as biomoléculas são quebradas e sintetizadas com a geração e gasto de energia, respectivamente. Estão relacionadas com: e A energia liberada nos processos de quebra de moléculas nutrientes orgânicos é conservada na forma de ATP (trifosfato de adenosina) e NADPH (nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato). 103 106 e MOTTA - Bioquímica quatro pares de elétrons para formar três NADH e um FADH,. As coenzimas reduzidas transferem seus elétrons para o O, através da cadeia mitocondrial transportadora de elétrons, produzindo H,0 e ATP em um processo denominado fosforilação oxidativa. Proteinas Carboidratos Lipídios Aminoácidos Hexoses Ácidos Graxos| asCetoácidos Piruvato NH, l Acetil-CoA Uréia Osxaloacetato Citrato Ciclo do I ácidocítrico Excreção orCetoglutarato cos+ HO Excreção Figura 4.1 Visão geral do catabolismo. Aminoácidos, hexoses e ácidos graxos são formados pela hidrólise enzimática de seus respectivos polímeros (proteínas, carboidratos e lipídeos). Os monômeros são desdobrados em intermediários de dois e três carbonos, como o acetil-CoA e o piruvato que, por sua vez, também são precursores de outros compostos biológicos. A completa degradação dessas moléculas produzem NHs, COs, é Ha0. A energia livre liberada nas reações catabólicas (exergônicas) é utilizada para realizar processos anabólicos (endergônicos). O catabolismo e o anabolismo estão frequentemente acoplados por meio do ATP (trifosfato de adenosina) e NADPH (nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato, forma reduzida). O ATP é o doador de energia livre para os processos endergônicos. O NADPH é o principal doador de elétrons nas biossínteses redutoras. 4 Introdução ao metabolismo e 107 ATP NADPH, Produção de energia Utilização de energia Carboidratos Biossintese de macromoléculas Catabolismo « Lipídios E Proteinas Amplificação de sinal ADP+P, NADP Figura 4.2 Relação entre a produção de energia e a utilização de energia. ATP (trifosfato de adenosina), NADPH (nicotinamida adenina dinucleotideo fosfato, forma reduzida). A capacidade dos organismos vivos em regular os processos metabólicos, apesar da variabilidade do meio interno e externo é chamada homeostase. 4.3 Termodinâmica e metabolismo O estudo dos efeitos da energia que acompanham as mudanças físicas e químicas sobre a matéria é conhecido como termodinâmica. As leis da termodinâmica são usadas para avaliar o fluxo e o intercambio de matéria e energia. A bioenergética, um ramo da termodinâmica, é o estudo de como as reações metabólicas produzem e utilizam energia nos seres vivos e é especialmente útil na determinação da direção e da extensão de cada reação bioquímica. As reações são afetadas por três fatores. Dois deles, a entalpia (conteúdo em calor total) e a entropia (medida da desordem), estão relacionados com a primeira e segunda lei da termodinâmica, respectivamente. O terceiro fator, chamado energia livre (energia capaz de realizar trabalho útil), é derivada da relação matemática entre entalpia e entropia. As células dos organismos vivos operam como sistemas isotérmicos (funcionam à temperatura constante) que trocam energia e matéria com o ambiente. Em termodinâmica, um sistema é tudo que está dentro de uma região definida no espaço (exemplo, um organismo). A matéria no restante do universo é chamada de meio circundante, circunvizinhança ou ambiente. Os organismos vivos são sistemas abertos que jamais estão em equilíbrio com o meio ambiente. 108 e MOTTA - Bioquímica Quadro 4.2 Sistema e meio circundante Os princípios de termodinâmica estão baseados no conceito de um sistema e seu meio circundante. O sistema pode ser uma reação química, uma célula ou um organismo para os quais os meios circundantes são o solvente da reação, o líquido extracelular (ou matriz) ou o meio ambiente no qual o organismo sobrevive, respectivamente. Trocas de energia e/ou matéria entre o sistema e o meio circundante depende se o sistema é fechado, isolado ou aberto. Em um No sistema isolado, somente energia pode ser trocada entre o sistema e o meio circundante. No sistema aberto, ocorre troca de matéria e energia com o meio circundante e mas nunca está em equilíbrio com o mesmo. Os organismos vivos trocam matéria (ex.: dióxido de carbono e oxigênio) e energia (derivada do metabolismo na forma de calor) com seu meio circundante. As células vivas e os organismos são exemplos de sistemas abertos. sistema fechado, não há troca de matéria ou energia entre o sistema e o meio circundante. As leis da termodinâmica descrevem as transformações de energia. As duas primeiras são especialmente úteis na investigação das mudanças nos sistemas vivos. 1. Primeira lei da termodinâmica. Em qualquer mudança fisica ou química, a quantidade de energia total do sistema e seu meio circundante permanece constante. Esta lei estipula que a energia pode ser convertida de uma forma para outra, mas não pode ser criada nem destruída. As células são capazes de interconverter energia química, eletromagnética, mecânica e osmótica com grande eficiência. Por exemplo, no músculo esquelético, a energia química do ATP é convertida em energia mecânica durante o processo de contração muscular. É importante reconhecer que a troca de energia de um sistema depende somente dos estado inicial e final e não do mecanismo da equação. 2. Segunda lei da termodinâmica. Para formular a segunda lei é necessário definir o termo entropia (do grego, en, dentro de + trope, curva). A entropia (S) é a medida ou indicador do grau de desordem ou casualidade de um sistema, ou a energia de um sistema que não pode ser utilizada para realizar trabalho útil. A entropia é definida em termos de número de arranjos possíveis nas moléculas. A equação para a entropia é S=kp In W Em que ky é a constante de Boltzmamn (1,381 x 10 mol!) In é o logaritmo natural e W o número de arranjos na molécula. A S (entropia) é dada em J-K”!. De acordo com a segunda lei, as reações espontâneas tendem a progredir em direção ao equilíbrio. Ao atingir o equilíbrio, a desordem (entropia) é a máxima possível sob as condições existentes. A menos que o processo receba energia adicional de uma fonte externa ao sistema, não ocorrerá nenhuma outra mudança espontaneamente. A. Energia livre Os organismos vivos necessitam de continuo aporte de energia livre para três processos principais: (1) realização de trabalho mecânico na contração muscular e outros movimentos celulares, (2) transporte ativo de moléculas e íons e (3) síntese de macromoléculas e outras biomoléculas a partir de precursores simples. 4 Introdução ao metabolismo e 111 Tabela 4.1 - Relação quantitativa entre os valores da constante de equilíbrio (K.q) e as variações de energia livre padrão (AG) em pH 7,0 e 25 ºC! Keq AGº (kJ:mol”?) Direção da reação 1000 “71 Ocorre de forma direta 100 =11,4 10 -5,7 1 0 Equilíbrio 0,1 +5,7 Ocorre de forma inversa 0,01 +11,4 “ 0,001 +17 Quando os reagentes e produtos estão presentes em concentrações iniciais de 1,0 M cada um e temperatura de 37ºC, o cálculo da energia livre padrão é dado por AG” =-8315x310x 23 logK, AG” = 5.925 log K A variação de energia livre real, AG, observada para uma dada reação química, é uma função das concentrações e da temperatura existentes durante a reação. A 37ºC tem-se: [produtos] AG= AG” +5.925l0g Irengentes] Os [produtos] e [reagentes] referem-se às concentrações iniciais reais e não devem ser confundidas com as encontradas no equilíbrio ou em condições padrão. Sob condições apropriadas, a reação pode ser espontânea (AG <0) mesmo quando a variação de energia livre padrão (AGº") é positiva. Por exemplo, se K“ para a reação S S P for 0,1, então AG" a 37 ºC será +5.925 kJ] mol!. Entretanto, a reação terá uma AG negativa se as concentrações iniciais de S e P forem 0,1 M e 0,001 M, respectivamente: AG = +5.925+ 2,3RT log: 9,001 AG = +5.925+(5, -5.925 kJ mol! Portanto, o critério de espontaneidade para uma reação é AG, e não a AGº". 4.4 Compostos de “alta energia” As células obtêm a energia necessária para a sua manutenção e crescimento pela degradação de vários nutrientes, tais como, glicose (carboidrato), aminoácidos (proteínas) e ácidos graxos (lipídeos não— esteróides). Por exemplo, a energia livre padrão liberada durante a oxidação da glicose até CO, e H,O é: 112 e MOTTA - Bioquímica CsH106 + 60, —> 6C0,+ 6H,0 AGº!= -2870 kJ-mol! Em condições aeróbicas, a energia liberada na reação acima é utilizada na síntese de, aproximadamente, 32 moléculas de ATP (trifosfato de adenosina) para cada molécula de glicose. O ATP é um carreador ou transportador de energia livre. Outros compostos fosforilados e tioésteres também têm grandes energias livre de hidrólise e, juntamente com o ATP, são denominados de compostos de “alta energia” (ou “ricos em energia”) (Tabela 4.1). Basicamente, a energia livre liberada pela degradação de nutrientes é convertida em compostos de “alta energia” cuja hidrólise liberam energia livre utilizadas pelas células para exercer suas funções. Tabela 4.2 - Valores da energia livre padrão (AG"") de hidrólise de alguns compostos de “alta energia”. Composto AG" (kJ:mol” ) Fosfoenolpiruvato -61,9 Carbamoil-fosfato -S1,4 1,3-Difosfoglicerato -49,3 Creatina-fosfato -431 Acetil-fosfato -42,2 Acetil-CoA 314 ATP (SADP+P,) -30,5 ATP (SAMP + PP) -32,2 Glicose-1-fosfato -20,9 Glicose-6-fosfato -13,8 Os valores negativos de AGº' da hidrólise dos compostos apresentados na Tabela 4.2 são denominados de potencial de transferência de grupos fosfato e são medidas da tendência dos grupos fosforilados em transferir seus grupos fosfato para a água. Por exemplo, o ATP tem um potencial de transferência de 30,5 comparados com 13,8 para a glicose-6-fosfato. Isso significa que a tendência do ATP em transferir um grupo fosfato é maior que o da glicose 6-fosfato. Alguns autores representam as ligações de “alta energia” pelo til (=). Deve-se salientar, no entanto, que a en: a não reside na liga: específica hidrolisada mas A. Trifosfato de adenosina (ATP) A energia livre liberada pelas reações de degradação de moléculas combustíveis em processos exergônicos, é conservada na forma de intermediários de “alta energia”. O intermediário central de “alta energia” é a trifosfato de adenosina (ATP) cuja hidrólise exergônica impulsiona processos endergônicos. O ATP é um nucleotídio formado por uma unidade de adenina, uma de ribose e três grupos fosfato sequencialmente ligados por meio de uma ligação fosfoéster seguida de duas ligações fosfoanidrido. As formas ativas do ATP e ADP estão complexadas com o Mg” ou outros íons. Estrutura de ATP: Ligação fostvéster Ligações fosfomidrido ATP As ligações fosfoanidrido (fosfato-oxigênio) do ATP tem alta energia livre de hidrólise. Ocorrem dois tipos de clivagem do ATP: a ortofosfato (ATP > ADP + P)): NH A N DO A, ” + HO — —0—CH, 0. om OH Trifosfato de adenosina (ATP) o =lo, ro. b Loo, Í b Í Lo o o o NH, n7 S N N N qu 4 + jr TR O, o o o [o O Difosfato de adenosina (ADP) Fosfato inorgânico (P)) ea pirofosfato (ATP —» AMP + PP;): 4 Introdução ao metabolismo e 113 116 e MOTTA - Bioquímica 4.5 Reações acopladas Reações termodinamicamente desfavoráveis são impulsionadas por reações exergônicas à qual estão acopladas. As reações exergônicas fornecem energia que dirigem as reações endergônicas. A interconexão entre reações endergônicas e exergônicas é chamada acoplamento. Podem ocorrer duas formas de acoplamento: 1. Através de um intermediário comum. A energia gerada por uma reação biológica ou processo muitas vezes impulsiona uma segunda reação que não ocorre espontaneamente. O acoplamento pode ocorrer através de um intermediário comum (B—X): AX+BS5SA+B-X B-X+C>5B+C-—X A soma das variações de energia livre deve ser negativa para o desenvolvimento das reações. O fluxo de energia no metabolismo de muitas reações está acoplado com o ATP que atua como intermediário carreador de energia: AP, + ADP >» A+ATP (espontânea) ATP+C > ADP+C-—P, (não espontânea) Assim, uma reação termodinamicamente desfavorável (endergônica) toma-se altamente favorável pelo acoplamento à hidrólise de moléculas de ATP. 2. Através da transferência de grupos químicos. Os carreadores mais importantes são: (a) o ATP (e outros nucleosídeos 5'-trifosfatos) na transferência de grupos fosfato; (b) tioésteres como a coenzima A (CoA-SH) que carreiam o grupo acetil na forma de acetil-CoA — produto comum do catabolismo de carboidratos, de ácidos graxos e de aminoácidos — e de outros grupos acila; (c) o NAD(PJH que transporta íons hidrogênio e elétrons provenientes das reações de oxidação (catabólicas). Resumo 1. Todos os organismos vivos necessitam de energia. Através da bioenergética — estudo das transformações de energia — a direção e a extensão pela qual as reações bioquímicas são realizadas podem ser determinadas. A entalpia (uma medida do conteúdo calórico) e a entropia (uma medida de desordem) estão relacionadas com a primeira e a segunda lei da termodinâmica, respectivamente. A energia livre (a fração da energia total disponível para a realização de trabalho) está relacionada matematicamente com a entalpia e a entropia. to As transformações de energia e calor ocorrem em um “universo” composto de um sistema e de seu meio circundante. Em um sistema aberto, matéria e energia são intercambiáveis entre o sistema e seu meio circundante. O sistema é denominado fechado quando a energia mas não a matéria é trocada com o meio circundante. Os organismos vivos são sistemas abertos. 3. A energia livre representa o máximo de trabalho útil obtido em um processo. Processos exergônicos, onde a energia livre diminui (AG < 0) são espontâneos. Se a variação de enrgia livre é positiva (AG < 0), o processo é chamado endergônico. Um sistema está em equilíbrio quando a variação de energia livre é zero. A energia livre padrão (AGº) é definida para reações a 25ºC, pressão de 1 atm e concentrações de 1 M. O pH padrão na bioenergética é 7. A variação de energia livre padrão AGº! em pH 7 é normalmente empregada nos textos bioquímicos. 4. A hidrólise do ATP fornece a maioria da energia livre necessária para os processos da vida. Referências BLACKSTOCK, J. C, Biochemistry. Oxford: Butterworth, 1998. p. 164-91. LEHNINGER, A. L. Princípios de bioquímica. 2 ed. São Paulo: Sarvier, 1995. p. 269-96. STRYER, L. Bioquímica. 4 ed. Rio de Janeiro: Guanabara-Koogan, 1996. p. 419-36. VOET, D., VOET, J.G., PRATT, C.W. Fundamentos de bioquímica. Porto Alegre: Artmed, 2000. p. 353-81. 4 Introdução ao metabolismo e 117