Unidade 3: Lógica Molecular da Vida

REITORIA Dr Roberto Cezar de Oliveira PRÓREITORIA Profa Ma Gisele Colombari Gomes DIRETORIA DE ENSINO Profa Dra Gisele Caroline Novakowski EQUIPE DE PRODUÇÃO DE MATERIAIS Diagramação Revisão textual Produção audiovisual Gestão WWWUNINGABR UNIDADE 3 WWWUNINGABR ENSINO A DISTÂNCIA SUMÁRIO DA UNIDADE INTRODUÇÃO 4 LÓGICA MOLECULAR DA VIDA FATORES DISTINGUEM UM ORGANISMO DE UM AGLOMERADO MOLECULAR 5 ESTUDO DO SOLVENTE DAS BIOMOLÉCULAS ÁGUA 6 AMINOÁCIDOS PEPTÍDEOS e PROTEÍNAS 13 PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS 16 CONSIDERAÇÕES FINAIS 19 LÓGICA MOLECULAR DA VIDA ESTUDO DO SOLVENTE DAS BIOMOLÉCULAS AMINOÁCIDOS PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS 01 PROFA DRA GISELE CAROLINE NOVAKOWSKI 4 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 1 ENSINO A DISTÂNCIA INTRODUÇÃO A bioquímica Bio vida Chyma moldar é a ciência que trata de explicar a origem da matéria viva a partir da união e interação de moléculas inanimadas Como toda ciência a Bioquímica se desenvolveu a partir do empirismo ou seja da observação de fatos e posteriormente da experimentação Desse modo em princípio quando não se dominava essa ciência a explicação para origem da matéria viva no séc IV era a abiogênese Conforme a abiogênese a vida se origina da matéria inanimada associada a um princípio ativo ou força vital que não se sabia exatamente o que era e por isso tinha um caráter místico Em síntese temos matéria bruta força vital ser vivo Todavia vários experimentos como o de Francesco Redi e de Louis Pasteur contestaram a abiogênese propondo que toda vida se origina uma vida préexistente teoria conhecida como biogênese Essa é a teoria atualmente aceita mas ainda não respondemos a seguinte pergunta Como o primeiro ser vivo teria se originado Desse ponto em diante a explicação para origem da matéria viva após o surgimento da Bioquímica é a síntese prébiótica ou seja evidenciouse através de experimentos que a matéria orgânica poderia ser formada nas condições da Terra primitiva simplesmente a partir de moléculas inorgânicas simples como CO CO2 CH4 e H2 No entanto ainda fica uma dúvida Que fatores distinguem um organismo de um aglomerado molecular Tomando como base esse assunto inicialmente a Unidade I discutirá as características únicas que distinguem os seres vivos da matéria inanimada Essa distinção é um dos grandes focos da Bioquímica Na sequência serão explorados os aspectos principais das biomoléculas e seu solvente a água Para compor este material foram utilizados especialmente os conteúdos dos seguintes autores Nelson e Cox 2011 Smith et al 2008 Stryer 2004 Voet e Voet 2013 5 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 1 ENSINO A DISTÂNCIA LÓGICA MOLECULAR DA VIDA FATORES DISTINGUEM UM ORGANISMO DE UM AGLOMERADO MOLECULAR Sabese que os seres vivos se distinguem da matéria bruta por serem dotados de elevada complexidade e organização por terem capacidade de obter energia do meio e também por sua capacidade de replicação Complexidade e organização As forças químicas e o arranjo das moléculas explicam a diversidade de organismos A lógica molecular da vida mostra que embora as biomoléculas tenham a mesma constituição química p ex todos os DNAs são formados pelos mesmos nucleotídeos ou seja A T G e C há variadas combinações desses monômeros monômero unidade formadora um nucleotídeo é um monômero de DNA ou RNA assim como um aminoácido é um monômero de uma proteína Desse modo os arranjos variados justificam a variedade de biomoléculas Além disso é importante ressaltar que determinados átomos predominam na matéria orgânica são eles C H O N P S Vale lembrar que esses átomos fazem diversas ligações covalentes com outros vários átomos e por isso há grande variabilidade de moléculas que podem formar Dentre esses átomos o carbono C é um grande exemplo de versatilidade dentre os CHONPS pois pode formar ligações simples dupla tripla Assim sendo esse átomo pode formar cadeias abertas alifáticas ou fechadas anéis aromáticos Essa versatilidade do carbono também pode ser explicada pelo fato desse átomo poder sofrer rotação em seu eixo formando assim moléculas com mesma fórmula química mas com propriedades diferentes p ex L Alanina e D Alanina Em síntese a bioquímica justifica que há grande variabilidade de arranjos em nível molecular em razão dos seus átomos se organizarem de modo variado assim como há diferentes organizações em nível de biomoléculas a partir das combinações diferentes entre os monômeros Considerando esse panorama é possível compreender que biomoléculas diferentes formam vários tipos celulares os quais constituem gradualmente tecidos órgãos e sistemas em um organismo Com isso o ser vivo tem grande organização e alta complexidade em termos de composição bioquímica Capacidade de obter energia do meio É capacidade única de organismos vivos a obtenção e transformação de energia do meio ambiente Isso pode ocorrer direta ou indiretamente isto é os chamados produtores fotossintetizantes possuem a habilidade de converter energia luminosa em energia química carboidratos Ao passo que os consumidores heterótrofos diante de sua incapacidade de obter energia diretamente do Sol utilizam a energia química proveniente da matéria orgânica sintetizada pelos produtores Capacidade de Replicação Os organismos têm a capacidade de autoduplicarse Essa capacidade está relacionada ao processo de transmissão de material genético e só é possível graças à replicação do DNA 6 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 1 ENSINO A DISTÂNCIA ESTUDO DO SOLVENTE DAS BIOMOLÉCULAS ÁGUA Qualquer estudo acerca da química da vida deve incluir um estudo sobre a água uma vez que os seres vivos possuem 70 ou mais de seu volume corporal composto por água Além disso as moléculas biológicas e as reações sofridas por elas podem ser mais bem compreendidas no contexto do seu ambiente aquoso A simplicidade da composição molecular da água é contraditória frente a diferentes funções que esta realiza no organismo vivo como preenchimento de espaço interno celular transportes de íons controle de temperatura fenômeno osmótico etc As funções executadas por esta substância inorgânica estão diretamente relacionadas às suas propriedades físicas e químicas que por sua vez são dependentes da estrutura molecular A água é uma substância inorgânica cuja fórmula molecular é composta por um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio unidos através de ligações covalentes entre si H2O Como esses átomos possuem valores de eletronegatividade muito diferentes esta molécula passa a apresentar um momento dipolar tendo como consequência uma carga parcial positiva sobre os hidrogênios e uma negativa sobre o oxigênio Figura 1 A distância de ligação entre H e O é de 9584 pm 1 pm 1012m e o ângulo formado pelos três átomos é de 10445º Figura 1 Representação esquemática da molécula de água evidenciando o seu dipolo Fonte Zörner 2005 A presença da carga parcial possibilita uma ligação intermolecular denominada de ligação de hidrogênio ou ponte de hidrogênio Cada molécula de água é capaz de realizar até 4 pontes de hidrogênio com outras moléculas de água Figura 2 ou outros compostos orgânicos que apresentem em sua composição átomos mais eletronegativos que o hidrogênio como oxigênio o nitrogênio e o flúor Dessa maneira as ligações de hidrogênio ocorrem não somente entre moléculas de água e estão presentes por exemplo entre certos aminoácidos das proteínas ou entre as bases nitrogenadas do DNA Portanto as ligações de hidrogênio promovem coesão à água o que se torna fundamental para esse solvente que atua na manutenção das estruturas de biomoléculas 7 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 1 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 2 Representação esquemática das pontes de hidrogênio entre as moléculas de água Fonte Wikimedia Commons 2017 Por ser uma molécula polar e líquida a temperatura ambiente a água se tornou o melhor modelo de solvente polar Através do processo de solvatação a água consegue interagir de forma esplêndida com moléculas polares seguindo a regra de ouro da solubilidade semelhante dissolve semelhante ou seja uma substância polar só consegue dissolver substância polar e substâncias apolares só dissolvem substâncias apolares Como exemplo de solvatação imaginemos um recipiente com um litro de água pura e adicionamos em seguida uma colher de sopa de sal de cozinha NaCl O contato entre soluto NaCl e solvente água ambos polares leva ao fenômeno inicial de dissociação em que a polaridade positiva da água atrai os íons cloreto e a polaridade negativa da água atrai o íon sódio Várias moléculas de água ficam com seu hidrogênio positivo ao redor dos íons cloreto que é negativo formando uma camada de hidratação ou solvatação O mesmo ocorre com o íon sódio mas agora temos o polo negativo da água representada pelo oxigênio Esta camada de solvatação impede que o íon cloreto e sódio se unam novamente na sua fórmula molecular através de ligação do tipo iônica Figura 3 Figura 3 Solvatação da água nos íons Na e Cl Fonte Openstax 2013 8 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 1 ENSINO A DISTÂNCIA Vimos que as ligações de hidrogênio e as iônicas são ligações polares que ocorrem entre as moléculas em meio aquoso Todavia devemos também mencionar uma interação apolar de substâncias em meio aquoso Nesse sentido no caso de substâncias anfipáticas anfipática substância que ora se comporta como ácido ora como base como os ácidos graxos que compõem os lipídios ao serem colocados em água formam estruturas vesiculares denominadas de micelas Estruturalmente o ácido graxo apresenta uma cabeça polar com carga negativa e uma cauda carbônica apolar devido a sua composição exclusiva em carbono e hidrogênio Quando colocamos o ácido graxo em água a porção da cabeça polar interage com a água mas sua cauda apolar sofre repulsão organizandose internamente na estrutura vesicular da micela A essas interações que ocorrem entre as regiões apolares da molécula de lipídio que resultam na formação de micela damos o nome de interações hidrofóbicas Na vida diária quando você vai fazer macarrão e coloca um fio de azeite sobre a água a ser fervida formamse várias gotículas de óleo e depois se ajuntam em uma estrutura vesicular única Estas vesículas separadas ou unidas são as micelas Esta formação é importante pois a forma micelar é a usada para que os ácidos graxos vindos da dieta de lipídios consigam interagir com o meio aquoso sanguíneo entérico e seja posteriormente incorporado a proteínas transportadoras até as células alvo para serem metabolizados e gerarem adenosina trifosfato ATP Além disso é importante lembrar que essa interação hidrofóbica também é responsável pela organização dos fosfolipídios que constituem a bicamada lipídica das membranas celulares As interações não covalentes descritas ligações de hidrogênio interações iônicas e interações hidrofóbicas são bem mais fracas que as ligações covalentes Mesmo assim o efeito cumulativo das várias ligações não covalentes em uma molécula colabora a manutenção de sua estrutura e consequentemente sua função Para exemplificar esse efeito somativo das interações citamos a molécula de DNA composta por duas cadeias complementares de nucleotídeos As cadeias interagem por várias ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas dos nucleotídeos e além disso há interação hidrofóbica entre as bases nitrogenadas adjacentes que compõem cada cadeia Dessa forma o efeito somativo das ligações entre os componentes do DNA promovem a estabilidade dessa molécula OS SOLUTOS AFETAM AS PROPRIEDADES COLIGATIVAS DAS SOLUÇÕES AQUOSAS Vimos que o meio aquoso é fundamental para garantir a estabilidade de uma biomolécula Tal função do meio aquoso pode sofrer interferências se a concentração de solutos dissolvidos for alterada Os solutos dissolvidos afetam as propriedades físicas ou coligativas do meio aquoso pressão de vapor ebulição fusão e pressão osmótica De modo geral à medida que solutos são dissolvidos em meio aquoso há redução da pressão de vapor aumento do ponto de ebulição diminuição do ponto de fusão e aumento da pressão osmótica Dentre estas propriedades coligativas vamos discutir a pressão osmótica pois é muito importante para a homeostase equilíbrio do organismo Esta regra de solubilidade semelhante solubiliza semelhante tem várias aplicações na área da saúde Um exemplo bem claro é a preparação de soluções injetáveis como no caso de soro fisiológico que nada mais é que água e NaCl a 09 utilizada para casos de reposição hídrica e de eletrólitos Para entender detalhes sobre essa questão da reposição hidroeletrolítica consulte o artigo disponível em httpswwwrevistasuspbrrmrparticledownload274275 9 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 1 ENSINO A DISTÂNCIA Com relação à pressão osmótica a presença de água e a diferença de concentração de íons entre o meio intracelular e extracelular separados por uma membrana semipermeável gera o transporte de solvente a favor de um gradiente de concentração processo denominado de osmose A membrana semipermeável que que separa os compartimentos intra e extracelular contém vários canais a partir dos quais a água pode se mover mas outras moléculas não Da mesma forma a água pode se mover livremente através dos capilares que separam o líquido intersticial e o plasma Como existe diferença de concentração de íons nos meios a água se move do compartimento menos concentrado em íons para o de maior concentração A força para manter a mesma quantidade de água em ambos os compartimentos é a pressão osmótica Sendo assim definese osmose como sendo a passagem de água do meio mais concentrado em água ou menos concentrado em soluto para o menos concentrado em água ou mais concentrado soluto através de uma membrana semipermeável O conceito de osmose pode ser visto na prática ao observarmos a desidratação que ocorre quando colocamos um pouco de sal de cozinha sobre uma hortaliça que preparamos em uma refeição Ainda a perda de água na célula pode ocorrer para equilibrar a hiperglicemia num indivíduo uma vez que a concentração elevada de glicose aumenta a pressão osmótica do sangue POTENCIAL HIDROGENIÔNICO E SISTEMA TAMPÃO Vimos que as características de água p ex coesão e as interações que ocorrem em meio aquoso justificam grande parte da estabilidade das biomoléculas Associado a isso vale citar que a água tem baixa tendência à ionização Esse potencial reduzido de ionização reflete a estabilidade da água e por consequência das biomoléculas em meio aquoso Embora a água tenha pequena capacidade de ionização é possível medir essa tendência através da constante de equilíbrio Keq Partindose da estrutura molecular da água sem outros íons dissolvidos e de um volume padrão de 1000 mL temos que a molaridade ou concentração molar da água é Molaridade massa x mol1vol L 1000g x 18gmol11 L 555 Demonstrando a dissociação da água podemos calcular a concentração de H2O H e OH 1 A reação de ionização da água é H2O H OH 2 Considerando a ionização da água podemos calcular a constante de equilíbrio da água 3 Assim vimos anteriormente que a H2O 5555M 4 O Keq é determinado por medidas de condutividade da água pura e tem o valor 18x 1016 M a 25º C 5 Portanto trabalhando a equação temos que Keq x H2O H OH Como Keq e a H2O são constantes quando relacionados originam outra constante Kw o produto iônico da água Desse modo Kw H OH 6 Calculando o Kw temos que 1x1014 H OH 7 Em equilíbrio H OH 1x107M 10 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 1 ENSINO A DISTÂNCIA 8 pH log H ou pH log 9 Em equilíbrio pH log 1x107 portanto pH 7 ou seja essa solução é neutra Através dessa dedução de equações que desenvolvemos anteriormente é possível perceber que o pH potencial hidrogeniônico se refere à concentração de H em uma solução Assim considerando quanto maior o valor de H menor será o pH Então quando valores de pH 7 a solução será ácida Ao contrário quando pH 7 a solução será básica ou alcalina Portanto o pH serve para nos indicar se uma solução é ácida neutra ou básica Vimos que conforme a equação do produto iônico da água Kw temos que 1 Kw 1x1014 H OH 2 Em equilíbrio H OH 1x107M Partindo do mesmo raciocínio utilizado para medir o pH da solução podemos calcular o pOH Assim teremos 3 pOH log OH ou pOH log O cálculo do pOH nos dará a noção da alcanilidade da solução pois quanto menor o valor de pOH mais alcalina ou básica ela será Ao contrário quanto maior o valor de pOH mais ácida será a solução Para que possamos entender melhor esta escala a Figura 4 apresenta alguns valores pH e pOH de algumas substâncias comuns Figura 4 Exemplos de substâncias comuns distribuídas conforme a escala de pH e pOH Fonte Patrícia R 2007 Uma solução ácida é uma situação onde H OH ou seja na escala de pH que varia de 0 a 14 uma substância ácida terá valores entre 0 e 699 No cotidiano encontramos vários exemplos de substâncias ácidas como o suco de limão cujo pH 22 e o café com pH 50 Soluções denominadas de alcalinas ou básicas apresentam H OH tendo valores entre 701 a 14 na escala de pH O bicarbonato de sódio usado como antiácido apresenta pH 84 quando preparado na concentração de 01 M sendo assim um exemplo de substância com pH alcalino Por fim uma solução com pH neutro terá valor exatamente igual a 70 ou seja a H OH neste caso a água sem outros íons dissolvidos é o modelo de substância química de pH neutro A água dita mineral vai apresentar valores variados de pH dependente do tipo de íons presente nela Notemos que a escala de pH é uma relação logarítmica ou seja mediante uma variação de uma unidade no valor do pH temos uma variação de 10x no valor da concentração de hidrogênio seja para mais ou para menos 11 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 1 ENSINO A DISTÂNCIA Na prática clínica temos corriqueiramente em pacientes internos na UTI a coleta de sangue arterial para que se possa medir alguns eletrólitos e o pH sanguíneo Através do valor do pH sanguíneo o médico consegue saber se o valor está normal ou se está ocorrendo alcalinização sanguínea ou acidificação Em cada caso tomase providências diferentes dependendo do valor do pH para que se volte para valores normais Por exemplo valores muitos baixos de pH podem até mesmo causar edema cerebral A não normalização desses valores coloca a vida do paciente em risco podendo leválo a óbito Em sistemas biológicos existem substâncias chamadas de tampão cuja finalidade é manter o pH estável mesmo quando ocorrer pequenas entradas de ácido ou base no sistema Essa alteração de pH poderia por exemplo levar a uma desnaturação proteica e perda da função biológica ou como comentado anteriormente até levar o indivíduo à óbito Logicamente os tampões biológicos promovem o equilíbrio conforme um intervalo limitado de variação de pH assim variações muito grandes de pH refletem distúrbios metabólicos e não podem ser controlados pelos tampões No próximo item denominado Sistema tampão será abordado como os tampões promovem o equilíbrio de pH das soluções Para sabermos o valor do pH de uma determinada substância podemos utilizar de indicadores colorimétricos de ácidobase ou de aparelhos eletrônico denominados de pHmetro A escolha de cada método é determinada pelo grau de precisão necessário para concluir o experimento No cotidiano de uma pessoa que tem aquário de peixes ou piscina para banho a manutenção do pH adequado faz parte da manutenção permanente destes O indicador ácido base mais usado é o Azul de bromotimol que apresenta escala colorimétrica onde temos tons de amarelo para pH ácido de zero a cinco tom amareloverde que lembra o caldodecana para pH seis tom azulverde piscina para pH neutro e tons de azul para pH variando de oito a quatorze Esse método apresenta uma precisão pequena pois não consegue diferenciar valores intermediários de pH para este método dará o mesmo tom de cor para o pH de valor 53 e 56 Ao utilizarmos de um pHmetro conseguimos uma precisão de dois decimais a direita da vírgula para os valores medidos Assim conseguimos aferir valores de pH tais como 345 346 etc SISTEMA TAMPÃO Temos discutido até aqui a importância de se manter um meio aquoso equilibrado que permita a manutenção da estabilidade das biomoléculas Para que isso aconteça o pH das soluções biológicas deve alterar muito pouco pois caso contrário as biomoléculas teriam suas estruturas afetadas e perderiam suas funções Para garantir esse equilíbrio existem nas soluções biológicas os chamados sistemas tampões que correspondem a pares de ácidos fracos e suas bases conjugadas Portanto o equilíbrio químico entre um ácido fraco e sua base conjugada numa proporção de massa de 50 para cada um forma um sistema tampão ou simplesmente tampão cuja função é evitar a variação do pH do meio no qual está quando se acrescenta a este uma pequena quantidade de ácido ou de base Sugestão de vídeo Para relembrar como se calcula o pH e também reforçar seu entendimento sobre a dedução das equações assista ao vídeo httpswwwyoutubecomwatchvJzUxtqtb3JU 12 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 1 ENSINO A DISTÂNCIA A equação química a seguir demonstra o equilíbrio químico entre o ácido acético e sua base conjugada o termo conjugada se refere ao fato de ser a base proveniente de uma mesma reação com o ácido que dá origem a ela Nesse exemplo formase o tampão acetado cujo pH é 47 O ácido fraco funciona como doador de prótons e a base conjugada atua como receptor de prótons Quando acrescentamos uma pequena quantidade de base ao meio tamponado estamos diminuindo a quantidade de prótons disponíveis e assim o equilíbrio da reação é deslocado no sentido de gerar mais base conjugada e prótons através da dissociação do ácido acético Ao acrescentar uma pequena quantidade de ácido estamos aumentando a quantidade de prótons no meio e estes são pegos pela base conjugada para se transformar no ácido fraco não dissociado através do deslocamento do equilíbrio químico nesse sentido Com esse jogo de deslocamento do equilíbrio químico o tampão consegue manter o constante o pH do meio no qual faz parte O tampão acetato é em exemplo de tampão não fisiológico ou seja não é produzido em organismos vivos Os tampões gerados no organismo vivo são denominados de tampões fisiológicos ou biológicos e no caso dos seres humanos os tampões bicarbonato e fosfato são os mais relevantes O tampão bicarbonato é o principal regulador do pH do sangue em torno de 61 sendo formado pela combinação de gás carbônico CO2 vindo dos tecidos e da atmosfera e capturados pelos pulmões e corrente sanguínea com a água resultando em ácido carbônico H2CO3 Por sua vez o ácido carbônico se dissocia em bicarbonato HCO3 e próton H é liberado O ácido carbônico tem o papel de doador de prótons e o íon bicarbonato a função de receptor de prótons No caso de uma acidose sanguínea o excesso de prótons é combinado com o bicarbonato Essa reação gera ácido carbônico que agora em maior quantidade desloca o equilíbrio químico no sentido de formar gás carbônico e água Esse excesso de gás carbônico é eliminado para o meio externo através de um aumento do ritmo respiratório tornandoo ofegante Na acidose sanguínea temos uma retirada de prótons do meio sanguíneo o que eleva momentaneamente o pH desse meio Nessa situação deslocaremos o equilíbrio químico no sentido de gastar um pouco do ácido carbônico disponível para gerar mais prótons no meio para repor o que estava faltando e regularizar assim o pH Vale portanto ressaltar que diversas situações poderiam afetar o pH sanguíneo e que nos levaria a morte Figura 5 e só não ocorre devido a presença do tampão bicarbonato que mantem o pH estável Figura 5 Esquema do pH do sangue humano evidenciando a escala referente à acidose e alcalose Fonte a autora 13 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 1 ENSINO A DISTÂNCIA No meio intracelular é o tampão fosfato que atua na manutenção do pH constante e em torno de 72 Nesse caso o H2PO4 se dissocia para gerar H e a base conjugada HPO4 2 Com isso caso o pH do meio intracelular se torne ligeiramente ácido a base conjugada HPO4 2 tende a associarse aos prótons gerados e assim anular a redução do pH Do mesmo modo caso o pH intracelular se torne ligeiramente básico os prótons H prótons oriundos da dissociação de H2PO4 irão equilibrar o pH fazendoo retornar a valores próximos de 72 AMINOÁCIDOS PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS AMINOÁCIDOS Proteínas podem ser definidas como macromoléculas formadas pela união de aminoácidos Toda proteína independente do organismo considerado é constituída pelos mesmos 20 aminoácidos Portanto o que difere uma proteína da outra é a combinação dos aminoácidos que as constituem Nesta unidade nos interessam os aminoácidos primários aqueles originados da hidrólise de proteínas que são separados em dois grupos Aminoácidos essenciais não são sintetizados pelo organismo Fenilalanina Histidina Isoleucina Leucina Lisina MetioninaTreonina Triptofano e Valina Aminoácidos não essenciais são sintetizados pelo organismo Ácido Aspártico Ácido Glutâmico Alanina Arginina Asparagina Cisteína Glicina Glutamina Prolina Serina Tirosina Os alimentos ricos em proteínas animal vegetal ou fungo são as grandes fontes de aminoácidos para o organismo As proteínas de origem animal são consideradas de alto valor biológico pois apresentam dos 20 aminoácidos no mínimo 17 aminoácidos e também todos os essenciais Já as proteínas de origem vegetal sem exceção são consideradas de baixo valor biológico pois não apresentam todos os aminoácidos essenciais Lembrando que ao consumir uma proteína esta sofre ação das enzimas do sistema digestório e no final o que é absorvido pelo intestino são os aminoácidos e não a proteína na íntegra Após a absorção dos aminoácidos ocorre a distribuição deles para todas as células do organismo e cada tecido utiliza os aminoácidos que necessitam e que estão disponíveis para sua biossíntese de proteínas Em relação à constituição os aminoácidos são compostos orgânicos de função mista por apresentarem ao mesmo tempo um grupo carboxila e um grupo amina Em todos os aminoácidos o primeiro grupo o classifica na função orgânica denominada de ácido carboxílico COOH e o segundo grupo na função amina NH2 Ao juntar o grupo amina ácido carboxílico originou o termo aminoácido Figura 6 No entanto o que difere os 20 aminoácidos é a cadeia lateral ou grupo R que variam em estrutura tamanho e carga elétrica Figura 6 Estrutura geral de um aminoácido Fonte Wikimedia Commons 2017 14 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 1 ENSINO A DISTÂNCIA A carboxila COOH e a amina NH2 estão ligadas ao chamado carbono alfa α que por sua vez também apresentam uma cadeia lateral e um hidrogênio para completar a tetravalência do carbono Para compreender mais sobre o carbono alfa observe que em todos os aminoácidos primários exceto na glicina o carbono α é quiral ou assimétrico isso significa que nesses aminoácidos os quatro ligantes do carbono α são diferentes Sendo assim o carbono α é um centro quiral Por convenção os demais carbonos do grupo R são designados pelas letras do alfabeto grego sequenciais à alfa β beta γ gama δdelta etc Ou por outra convenção o carbono do grupo carboxila pode ser designado como C1 e os demais carbonos do grupo R seguiriam essa sequência C2 C3 etc Figura 7 Figura 7 Posição dos carbonos conforme as convenções numérica e grega Fonte Mabret 2007 Por causa do arranjo tetraédrico das orbitais de ligação ao redor do carbono alfa dos aminoácidos os quatro ligantes amina ácido carboxílico hidrogênio e grupo R podem ocupar duas posições espaciais distintas as quais são imagens especulares entre si Os L aminoácidos L levógero são aqueles que apresentam o grupo amina à esquerda enquanto os D aminoácidos Ddextrógero são os que apresentam o grupo amina à direita Figura 8 Figura 8 Estrutura e polaridade da alanina Fonte modificado de Lemos 2013 Vimos anteriormente que é a variação da constituição química da cadeia lateral ou grupo R que dá a diferença entre os 20 tipos de aminoácidos Além disso é a solubilidade do grupo R em água com pH próximo a 7 que define as seguintes classificações dos aminoácidos Figura 9 Grupos R não polares e alifáticos Os grupos R dessa categoria são hidrofóbicos e não polares insolúveis em água como a Alanina e Prolina pois sua cadeia lateral é formada por hidrocarbonetos 15 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 1 ENSINO A DISTÂNCIA Grupos R aromáticos Os grupos R apresentam cadeia lateral com anel aromático Grupos R não carregados mas polares Os grupos R são hidrofílicos pois contém grupos que formam ligações de hidrogênio pontes de hidrogênio com a água Grupos R carregados positivamente básicos Os grupos R têm uma carga positiva líquida em pH 7 Grupos R carregados negativamente ácidos Os grupos R têm uma carga negativa líquida em pH 7 Figura 9 Fórmulas estruturais mostram o estado de ionização dos aminoácidos em pH 7 Fonte modificado de Porto 2012 OS AMINOÁCIDOS PODEM AGIR COMO ÁCIDOS OU BASES Como dito no item anterior os aminoácidos possuem um grupo ácido ácido carboxílico e outro básico amina assim sendo podem agir como ácidos ou bases À medida que um aminoácido é dissolvido em água ele permanece na solução como íon dipolar ou também chamada de forma Zwitteriônica Zwitterion íon híbrido Com isso nessa forma o aminoácido tem caráter anfótero pois pode agir tanto como um ácido doador de prótons ou como uma base receptor de prótons Figura 10 16 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 1 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 10 Forma zwitteriônica Zwitterion e o comportamento anfótero dos aminoácidos Fonte modificado de Martens 2008 Um aminoácido monocarboxílico como a alanina é diprótico ou seja quando está totalmente protonado possui dois grupos que podem se ionizar carboxila e amina O grupo carboxila se ioniza em pH mais baixo que o grupo amina Desse modo quando a Alanina está na sua forma mais protonada em pH ácido sua carga líquida é 1 à medida que a carboxila perde seu próton H a carga da molécula passa a 0 e se o próton H da amina é liberado a carga da Alanina tornase 1 Figura 10 Podemos observar essa alteração de formas iônicas dos aminoácidos através da titulação Os aminoácidos apresentam curvas de titulação características onde temos em pH muito ácidos a dissociação exclusiva da carboxila e conforme aumentamos a o pH da solução temos as formas catiônica e íon dipolar e se nos valores extremamente alcalinos temos exclusivamente a forma aniônica do aminoácido Este comportamento ácidobase dos aminoácidos é de grande aplicação na separação de aminoácidos pois nos permite fracionar uma proteína através da cromatografia de coluna e estudar a sua composição PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS Nesse item vamos analisar os polímeros de aminoácidos peptídeos e proteínas Por definição os peptídeos são polímeros que variam de tamanho sendo compostos por 2 a vários aminoácidos enquanto o tamanho das cadeias polipeptídicas em proteínas é de dezenas a milhares de aminoácidos Os aminoácidos se unem através de ligações covalentes denominadas ligações peptídicas Tais ligações são resultado de reações de desidratação que ocorrem entre o grupo carboxila de um aminoácido e o grupo amina do outro Figura 11 Dois aminoácidos se reúnem para formar um dipeptídeo três aminoácidos formam um tripeptídeo e quatro a oito aminoácidos constituem um oligopeptídeo e vários aminoácidos polipeptídeo Figura 11 Formação das ligações peptídicas entre os grupos carboxila e amino de aminoácidos vizinhos Fonte Cúneo 2006 17 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 1 ENSINO A DISTÂNCIA Na Figura 11 a área sombreada corresponde à molécula de água que será removida Com relação às proteínas foi comentado que possuem cadeia polipeptídica grande Porém há uma ampla variação de tamanho de cadeia entre proteínas Por exemplo o citocromo C humano possui 104 aminoácidos enquanto a RNA polimerase de bactérias têm cerca de 4100 aminoácidos Tanto os peptídeos quanto as proteínas diferem entre si pelo tipo proporção e arranjo de aminoácidos que possuem Observe no quadro 1 a diferença de proporção de aminoácidos do citocromo C e do quimiotripsinogênio bovinos Quadro 1 Composição do citocromo e quimiotripsinogênio Fonte Retirado de NELSON D COX M M 2011 Pode ser que duas proteínas ou peptídeos com funções completamente diferentes tenham os mesmos aminoácidos e nas mesmas proporções Nesse caso a ordem arranjo desses aminoácidos vai determinar a diferença entre as proteínas Algumas proteínas contêm apenas aminoácidos em sua composição por isso são denominadas de proteínas simples Por outro lado outros grupos químicos grupos prostéticos podem estar associados às proteínas constituindo assim as proteínas conjugadas A classificação das proteínas conjugadas é dada conforme a natureza química dos seus grupos não proteicos grupo prostético Por exemplo as lipoproteínas contêm lipídios como grupo prostético enquanto as glicoproteínas contêm carboidratos e as metaloproteínas contêm um metal em sua composição 18 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 1 ENSINO A DISTÂNCIA Com relação à estrutura podemos definir quatro níveis de organização de proteínas A estrutura primária é definida como a sequência linear de aminoácidos que compõem uma proteína À medida que ocorre um enovelamento dessa estrutura linear temos a formação da estrutura secundária da proteína Esse enovelamento pode ser do tipo hélice ou folha beta pregueada Figura 12 Figura 12 Estrutura secundária de uma proteína alfa hélice e folha beta pregueadaFonte Openstax 2016 Um enovelamento da estrutura secundária conferirá a molécula sua estrutura terciária É importante salientar que a função de uma proteína está diretamente relacionada à sua estrutura terciária pois alterações nesta estrutura podem ocasionar perda de sua função Tais alterações podem ser provocadas por mudanças nas características físicas ou químicas p ex mudanças no pH ou temperatura do meio em que as proteínas estão Nesse caso dizemos que a proteína que perdeu sua estrutura terciária sofreu desnaturação A estrutura quaternária de uma proteína ocorre quando duas ou mais subunidades de estrutura terciária se associam para constituir uma proteína Figura 13 19 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 1 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 13 Níveis de organização da hemoglobina Fonte Openstax 2017 CONSIDERAÇÕES FINAIS Concluindo esta unidade I deve ter orientado você sobre os princípios básicos da Bioquímica Também tem como objetivo capacitálo no entendimento das características gerais dos aminoácidos peptídeos e proteínas Na unidade 2 discutiremos a bioquímica de carboidratos e lipídios UNIDADE 20 WWWUNINGABR ENSINO A DISTÂNCIA SUMÁRIO DA UNIDADE INTRODUÇÃO 21 CARBOIDRATOS 22 LIPÍDIOS 28 CONSIDERAÇÕES FINAIS 34 CARBOIDRATOS E LIPÍDIOS PROFA DRA GISELE CAROLINE NOVAKOWSKI 02 21 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 2 ENSINO A DISTÂNCIA INTRODUÇÃO Vimos na Unidade I que a Bioquímica é a ciência que trata do estudo da química dos seres vivos sendo por esta razão essencial para a compreensão dos processos que permitem a manutenção da vida Nesse contexto fazse necessário o entendimento das biomoléculas que compõem os sistemas biológicos Na unidade anterior iniciamos o estudo das biomoléculas ao detalharmos a bioquímica de peptídeos e proteínas Nesta unidade será discutida a bioquímica geral dos carboidratos e lipídios considerando que essas biomoléculas são fundamentais não somente para o suprimento energético dos seres vivos mas também possuem funções importantes do ponto de vista estrutural e fisiológico Por exemplo os carboidratos associados a lipídios e proteínas de membrana compõem o glicocálice celular ou seja têm uma função primordial no reconhecimento celular Aliás esse tema reconhecimento celular será abordado com detalhes adiante Outro exemplo pertinente a esse contexto é que os lipídios compõem a bicamada das membranas celulares e desse modo atuam na seletividade de substâncias que devem entrar ou sair das células Para compor este material foram utilizados especialmente os seguintes livros Nelson e Cox 2011 Smith et al 2008 Stryer 2004 Voet e Voet 2013 Literaturas adicionais que complementaram esta apostila foram destacadas ao longo do texto 22 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 2 ENSINO A DISTÂNCIA CARBOIDRATOS Os carboidratos são as biomoléculas mais abundantes na natureza Alguns carboidratos como o amido e açucares simples p ex glicose frutose constituem a base da alimentação da maior parte das pessoas Tais carboidratos comuns têm sua origem a partir do metabolismo dos vegetais Desse modo constantemente as plantas convertem toneladas de CO2 e H2O em carboidratos simples que posteriormente serão convertidos em polímeros como o amido ou a celulose De modo geral a equação química dos carboidratos é CxH2Oy daí o nome hidratos de carbono ou carboidratos Em termos de grupos funcionais os carboidratos são poliidroxialdeídos ou poliidroxicetonas São moléculas que desempenham variadas funções com destaque para fonte energética imediata para a respiração celular p ex glicose reserva de energia p ex glicogênio estrutural p ex celulose e reconhecimento celular p ex glicolipídios Os carboidratos são classificados quanto ao número de unidades monômeros que constituem a biomolécula Assim os monossacarídeos ou açúcares simples são constituídos de apenas uma unidade de poliidroxialdeído ou poliidroxicetona ao passo que a união de dois monossacarídeos origina um dissacarídeo Já os polissacarídeos são carboidratos compostos por cadeias longas de monossacarídeos que podem ser idênticos ou não A seguir discutiremos cada classificação dos carboidratos MONOSSACARÍDEOS São carboidratos simples monômeros a partir dos quais derivam as demais categorias de carboidratos Quimicamente são polihidroxialdeídos ou aldoses ou polihidroxicetonas ou cetoses sendo os mais simples monossacarídeos compostos com no mínimo 3 carbonos o gliceraldeído e a dihidroxicetona A Figura 1 mostra as fórmulas de projeção da glicose poliidroxialdeído e frutose poliidroxicetona Figura 1 Fórmulas de projeção da glicose e frutose Fonte a autora Exceção feita à dihidroxicetona os demais monossacarídeos e por consequência todos os outros carboidratos oligossacarídeos e polissacarídeos possuem centros de assimetria ou centros quirais Portanto esses monossacarídeos dotados de centros quirais possuem isomeria óptica Para exemplificar esse fato na Figura 2 podemos observar que os carbonos 3 4 e 5 da frutose são centros quirais e constituem isômeros espaciais pois possuem mesma formula química C6H12O6 mas diferem em relação à posição da hidroxila pertencente ao carbono quiral mais distante da carbonila Com isso os isômeros são denominados DFrutose e LFrutose se referida hidroxila está voltada para a direita ou esquerda respectivamente 23 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 2 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 2 Fórmulas de projeção da frutose Fonte Wikimedia Commons 2017 Na Figura 3 podemos observar um exemplo de isomeria funcional isto é embora tanto o gliceraldeído quanto a dihidroxicetona tenham a fórmula química C3H6O3 diferem na posição da carbonila e portanto no grupo funcional da molécula Figura 3 Fórmulas de projeção do gliceraldeído e dihidroxicetona Fonte Blanco 2016 Outro quesito utilizado na classificação dos monossacarídeos baseiase no número de carbonos de suas moléculas Nesse sentido as trioses 3 carbonos são os monossacarídeos mais simples seguidos das tetroses 4 carbonos pentoses 5 carbonos hexoses 6 carbonos heptoses 7 carbonos Destes os mais importantes são as pentoses e as hexoses Considerando a frequência com que estão presentes em sistemas biológicos p ex participando de vias metabólicas ou integrando biomoléculas as pentoses mais importantes são ribose desoxirribose e arabinose Pela mesma razão merecem destaque as seguintes hexoses glicose frutose galactose e manose Figura 4 Figura 4 Pentoses e hexoses comuns na natureza Fonte a autora 24 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 2 ENSINO A DISTÂNCIA MONOSSACARÍDEOS CÍCLICOS E ACÍCLICOS Apenas um pequeno percentual de monossacarídeos cerca de 002 apresentase na sua forma linear aberta quando está em solução aquosa O restante dos monossacarídeos adota a forma cíclica ou seja está na forma de um anel hemiacetal composto formado pela reação entre hidroxila do grupo álcool e uma carbonila de 5 ou de 6 vértices O anel de 5 vértices é chamado de anel furanosídico O anel de 6 vértices é chamado de anel piranosídico A Figura 5 retrata a ciclização da frutose e posterior formação da frutofuranose Figura 5 Furanose anel com 5 vértices e piranose anel com 6 vértices Fonte WickeyNl 2010 Na estrutura do anel o carbono que participa da formação do hemiacetal é chamado de carbono anomérico e sua hidroxila pode assumir 2 formas alfa quando a hidroxila fica para baixo do plano do anel beta quando ela fica para cima do plano do anel Figura 6 A interconversão entre estas formas é denominada de mutarrotação Como um exemplo podemos citar a glicose que em solução aquosa está nas seguintes proporções β D Glicopiranose 62 α D Glicopiranose 38 α D Glicofuranose menos de 05 β D Glicofuranose menos de 05 Forma linear menos de 002 Figura 6 Mutarrotação da glicose e origem das formas alfa e beta Fonte Wiki Commons 2011 As outras hidroxilas das moléculas de monossacarídeos quando representadas na forma em anel seguem a convenção se estavam para a direita na forma linear a representação é para baixo do plano do anel se estavam para a esquerda devem ser representadas para cima do plano do anel A partir dos exemplos dados fica evidente que a epimeria é extremamente importante 25 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 2 ENSINO A DISTÂNCIA tanto que os monossacarídeos epímeros diferem entre si na posição de apenas uma hidroxila Por exemplo glicose e galactose são epímeros em C4 no carbono 4 glicose e manose são epímeros em C2 Figura 7 Figura 7 Epímeros de posição glicose e manose Fonte Wikimedia Commons 2014 DISSACARÍDEOS São carboidratos chamados de glicosídeos originados a partir da ligação covalente entre dois monossacarídeos isto é através de ligações denominadas glicosídicas Cada ligação glicosídica envolve o carbono anomérico de um monossacarídeo e qualquer outro carbono do monossacarídeo seguinte através de suas hidroxilas e com a eliminação de uma molécula de água Tratase portanto de uma reação de condensação Como mostrado na Figura 8 o tipo de ligação glicosídica é definido pelos carbonos envolvidos e pelas configurações de suas hidroxilas Dessa forma no exemplo da formação da lactose a ligação glicosídica ocorre entre a betaDgalactose e a alfaDglicose Portanto a ligação glicosídica resultante é beta 14 pois envolveu o carbono 1 da galactose e o carbono 4 da glicose e foi definida pela configuração beta da Dgalactose Figura 8 Figura 8 Formação da lactose Fonte Wikimedia Commons 2017 POLISSACARÍDEOS São os polímeros de monossacarídeos ligados por ligações glicosídicas Considerando a disponibilidade na natureza e nos sistemas biológicos os polissacarídeos mais importantes são os formados pela polimerização da glicose como por exemplo o glicogênio o amido e a celulose Embora estes três polissacarídeos sejam polímeros de glicose eles diferem quanto ao tipo e proporção de suas ligações glicosídicas as quais determinam o grau de ramificação da molécula Essa divergência estrutural entre os polissacarídeos está sendo mostrado na Figura 9 e será explorada nos próximos tópicos 26 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 2 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 9 Exemplos de polissacarídeos que diferem quanto ao grau de ramificação Fonte Openstax 2017 AMIDO É o polissacarídeo de reserva da célula vegetal presente nas raízes e caules tuberosos É formado por moléculas de glicose ligadas entre si através de numerosas ligações α14 e poucas ligações α16 As ligações α14 compõem a cadeia de amilose do amido e são lineares Em contrapartida as ligações α16 são pontos de ramificação da cadeia de amido e compõem a amilopectina A molécula de amido tem a forma de hélice em solução aquosa Figura 10 Figura 10 Cadeias de amilose e amilopectina que formam o amido Fonte Openstax 2016 GLICOGÊNIO É o polissacarídeo de reserva da célula animal O fígado musculo estriado esquelético e cardíaco armazenam glicogênio e utilizam como combustível celular em condições de hipoglicemia Assim como o amido é constituído por unidades repetidas de D glicose todavia possui um número maior de ligações α16 o que confere um alto grau de ramificação à sua molécula Figuras 9 e 11 Essa elevada ramificação da molécula evita que o glicogênio adote uma estrutura em hélice 27 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 2 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 11 Estrutura do glicogênio Fonte Neurotiker 2007 CELULOSE A celulose é o carboidrato de origem vegetal mais abundante na natureza Possui função estrutural na célula vegetal pois é uma molécula componente da parede celular Semelhantemente ao amido e ao glicogênio em composição a celulose também é um polímero de glicose mas formada por ligações tipo β 14 Este tipo de ligação glicosídica confere à molécula uma estrutura espacial justaposta Figura 12 que forma fibras insolúveis em água É interessante salientar que os mamíferos não possuem enzimas capazes reconhecer as ligações tipo β 14 e por essa razão não podem digerir celulose Figura 12 Estrutura da celulose Fonte Wiwimedia Commons 2018a Os polissacarídeos ligados a moléculas de outra natureza como lipídios ou proteínas constituem os glicoconjugados Essa categoria de carboidratos será discutida a seguir GLICOCONJUGADOS São carboidratos ligados covalentemente a outras biomoléculas como peptídeos proteínas ou lipídios Nesse grupo estão os proteoglicanos glicoproteínas glicolipídios e lipopolissacarídeos Proteoglicanos são associações de proteínas a glicosaminoglicanas carboidratos sulfatados e estão presentes em grande proporção nas matrizes extracelulares Por serem sulfatadas as glicosaminoglicanas são dotadas de carga elétrica negativa e em virtude disso 28 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 2 ENSINO A DISTÂNCIA atraem especialmente íons sódio Na O aumento da concentração de Na atrai água como uma forma de equilibrar a pressão osmótica do meio Assim os proteoglicanos são os responsáveis por manter a hidratação das matrizes extracelulares permitindo que nutrientes e catabólitos difundam para as células As glicoproteínas são proteínas ligadas covalentemente a oligossacarídeos carboidratos de cadeia curta De modo geral ocorrem na superfície externa da membrana plasmática onde atuam na comunicação celular Os glicolipídios são lipídios de membrana associados a oligossacarídeos Os glicolipídios e glicoproteínas formam o glicocálice É importante mencionar que os tipos de glicolipídios e glicoproteínas diferem entre os tecidos Essa composição característica do glicocálice de cada tecido explica o fato de os receptores presentes nas membranas de bactérias vírus ou células de defesa como os linfócitos reconhecerem e atuarem apenas um ou poucos tipos celulares Os lipopolissacarídeos são moléculas grandes compostas por lipídios e polissacarídeos unidos covalentemente Estão presentes na membrana externa de bactérias gramnegativas nas quais promovem proteção LIPÍDIOS Os lipídios são biomoléculas orgânicas compostas especialmente por carbono hidrogênio e oxigênio Fazem parte ainda da composição dos lipídios outros elementos como por exemplo o fósforo e o enxofre A maioria dos lipídios é insolúvel na água Porém são moléculas solúveis nos solventes orgânicos p ex álcool éter benzina Alguns lipídios são dotados de porções polares e por esta razão adotam arranjos que organizam as porções hidrofóbicas e hidrofílicas de modo a possibilitar maior solubilidade em solventes polares como a água p ex micelas FUNÇÕES DOS LIPÍDIOS Os lipídios possuem algumas funções básicas nos organismos Fornecimento de energia para as células Porém estas preferem utilizar primeiramente a energia fornecida pelos carboidratos Participam da composição das membranas celulares Atuam como isolantes térmicos nos animais endodérmicos animais que controlam sua temperatura interna Facilitação de determinadas reações químicas que ocorrem no organismo dos seres vivos Possuem esta função os seguintes lipídios hormônios sexuais as prostaglandinas e as vitaminas lipossolúveis vitaminas A K D e E As vitaminas lipossolúveis são solúveis em lipídios e insolúveis em água Para serem absorvidas as vitaminas lipossolúveis necessitam da presença Para compreender como os glicoconjugados participam estruturalmente da parede bacteriana e do glicocálice das membranas celulares consulte o item sobre polissacarídeos do capítulo 09 de Nelson e Cox 2011 29 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 2 ENSINO A DISTÂNCIA de lipídios além de bile e suco pancreático Após a absorção no intestino essas vitaminas são transportadas através do sistema linfático até aos tecidos onde serão armazenadas ESTRUTURA QUÍMICA Os lipídios derivam de ácidos graxos os quais são constituídos por cadeias de hidrocarbonetos C H de 4 a 36 átomos de carbono e uma extremidade ácida dotada do grupo funcional ácido carboxílico Dessa maneira os lipídios são considerados anfipáticos por possuirem uma extremidade polar hidrofílica e uma extremidade apolar hidrofóbica Figura 13 Figura 13 Estrutura química de um ácido graxo Fonte o autor Os ácidos graxos podem ser saturados sem duplas ligações entre os carbonos ou insaturados e com duplas ligações entre os carbonos Figura 14 A presença da insaturação confere certa dobra a cadeia de ácido graxo Com isso lado a lado as moléculas de ácidos graxos ficam mais espaçadas entre si Assim quanto mais insaturações mais espaços ocorrerão entre os ácidos graxos e por consequência maior a fluidez do lipídio Seguindo esse raciocínio os óleos possuem várias insaturações em seus ácidos graxos e as gorduras possuem ácidos graxos predominantemente saturados Figura 14 Ácido graxo saturado e insaturado Fonte Staticflickr 2018 Em temperatura ambiente 25C os ácidos graxos saturados de 12 a 24 átomos de carbono possuem consistência mais sólida ao passo que os ácidos graxos insaturados do mesmo comprimento são fluidos Dessa forma o ponto de fusão dos ácidos graxos insaturados é menor do que os ácidos graxos saturados A Figura 15 evidencia alguns exemplos de ácidos graxos insaturados os quais são frequentes em óleos e ácidos graxos saturados que são comuns em gorduras 30 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 2 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 15 Ácidos graxos saturados e insaturados Fonte Farias 2012 GRAUS DE INSATURAÇÃO As propriedades dos ácidos graxos e dos lipídios deles derivados dependem do comprimento da cadeia e do seu grau de saturação Os ácidos graxos insaturados têm ponto de fusão mais baixos que os saturados com o mesmo comprimento de cadeia Por exemplo o ponto de fusão do ácido esteárico saturado é 696C enquanto o do ácido oleico que contêm uma dupla ligação é 134C Os pontos de fusão dos ácidos graxos poliinsaturados da série C18 dezoito carbonos são ainda mais baixos O comprimento da cadeia também afeta o ponto de fusão como é ilustrado pelo fato de que a temperatura de fusão do ácido palmítico C16 é 65 graus abaixo daquela do ácido esteárico C18 Assim a cadeia curta e a insaturação acentuam a fluidez dos ácidos graxos e de seus derivados Portanto já sabemos qual é a constituição básica e estrutura dos lipídios A seguir discutiremos as categorias de lipídios as quais são lipídeos de reserva ou simples triacilgliceróis ceras lipídios estruturais ou compostos fosfolipídios e lipídios sinalizadores ou derivados esteróis LIPÍDEOS SIMPLES São lipídios constituídos apenas por carbono hidrogênio e oxigênio Nesta classificação estão os triglicerídeos e as ceras 1 Triacilglicerol ou triglicerídeo De forma simplificada um triacilglicerol é um triéster formado pela união de três ácidos graxos a uma molécula de glicerol cujas três hidroxilas grupos OH ligamse aos radicais carboxílicos dos ácidos graxos Para a formação do triacilglicerol as três hidroxilas do glicerol condensamse com as hidroxilas dos ácidos graxos Figura 16 Triglicerídeos são amplamente conhecidos como óleos ou gorduras produzidos e armazenados nos organismos vivos para comporem uma reserva alimentar 31 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 2 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 16 Estrutura química do triacilglicerol Fonte Schaefer 2005 2 Ceras A cera é composta pela união de ácidos graxos e álcool de cadeia longa É solúvel em gorduras azeites benzina sulfeto de carbono éter e clorofórmio É muito maleável sendo bastante utilizada na fabricação de medicamentos e cosméticos Está presente na camada externa de vegetais p ex folhas de carnaúba onde protege contra dessecação Nos animais compõem os favos de abelhas LIPÍDIOS COMPOSTOS São lipídios constituídos por outros átomos além daqueles que compõem os lipídios simples Nesse caso o fósforo é um dos átomos mais frequentes na composição dos lipídios compostos Nesta classificação estão os lipídios da membrana plasmática 3 Lipídios estruturais de membrana As membranas biológicas são compostas por dupla camada de lipídios que atuam como barreira seletiva que controla a passagem de certas moléculas polares e íons Os lipídios de membrana são anfipáticos uma das extremidades é hidrofóbica e outra hidrofílica Quando os lipídios estão dispostos lado a lado para compor a membrana plasmática há interações hidrofóbicas entre as cadeias de ácidos graxos pois são apolares Ao mesmo tempo há interações hidrofílicas entre os grupos fosfato região polar dos lipídios com a água Com isso essas interações hidrofílicas e hidrofóbicas promovem e orientam a organização dos lipídios em uma de bicamada Figura 17 Figura 17 Modelo de bicamada lipídica da membrana plasmática Fonte Faduart 2005 32 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 2 ENSINO A DISTÂNCIA É possível citar alguns tipos mais comuns de lipídios de membrana os glicerofosfolipídios nos quais as regiões hidrofóbicas são compostas de dois ácidos graxos ligados a um glicerol esfingolipídios nos quais um único ácido graxo está ligado a uma molécula de esfingosina e os esteróis compostos caracterizados por um núcleo de quatro anéis hidrocarbônicos fundidos Vale ressaltar que as regiões hidrofílicas dos esterois podem ter desde um único grupo OH como ocorre em uma das extremidades de anéis dos esteróis ou elas podem ser bem mais complexas ou maiores como acontece no colesterol A Figura 18 esquematiza a composição dos lipídios de membrana Figura 18 Classes de lipídios de reserva e de membrana Fonte Nelson e Cox 2011 Os glicerofosfolipídios são o principal componente lipídico das membranas biológicas Eles consistem em glicerol3fosfato ligado a ácidos graxos nos seus carbonos C1 e C2 Os glicerofosfolipídios diferem entre si pois há um grupo de natureza variável p ex colina serina inositol etanolamina que se liga ao grupo fosforil do glicerol3fosfato como mostra a Figura 19 Figura 19 Representação da estrutura química da fosfatidilserina um glicerofosfolipídio Fonte Wikimedia Commons 2018b Os esfingolipídios também compõem a membrana plasmática A maioria dos esfingolipídios são derivados da esfingosina Os esfingolipídios resultantes da união entre esfingosina e ácidos graxos correspondem às ceramidas que atuam como precursores de esfingolipídios abundantes nos seres vivos Por exemplo a esfingomielina é uma ceramida cujo grupo polar é a fosfocolina Para que tenhamos noção da importância desse lipídio vale mencionar que a bainha de mielina que reveste os axônios das células nervosas e são ricas em esfingomielina Figura 20 33 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 2 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 20 Representação da estrutura química de um esfingolipídio a esfingomielina Fonte Wikimedia Commons 2018c Se o grupo polar ligado à ceramida for um açúcar então a molécula resultante será um glicoesfingolipídio Os glicoesfingolipídios mais simples contêm um mnossacarídeo ligado à ceramida e são chamados de cerebrosídeos por estarem em grande quantidade nos tecidos cerebrais Ao passo que se oligossacarídeos estiverem ligados à ceramida o glicoesfingolipidios em questão será um gangliosídeo LIPÍDIOS DERIVADOS São lipídios formados após transformações metabólicas sofridas pelos ácidos graxos Dentre os precursores dos lipídios derivados destacase o colesterol que é a molécula precursora dos hormônios esteróis 1 Esteróis Os esteróis são moléculas com cerca de 28 átomos de carbono Sua estrutura química deriva do ciclopentanoperidrofenantreno que é dotado de 17 átomos de carbono e possui três anéis hexagonais e um pentagonal Figura 21 Figura 21 Estrutura comum nos esteróis Fonte Wikimedia Commons 2018d 34 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 2 ENSINO A DISTÂNCIA Por definição os derivados do ciclopentanoperidrofenantreno que contém ao menos uma hidroxila OH e nenhuma carbonila CO são denominados esteróis Figura 22 O colesterol é o esterol mais conhecido encontrado nas gorduras animais é o precursor de hormônios importantes para o metabolismo como o estradiol a testosterona e o cortisol Figura 22 Estrutura da molécula de colesterol Fonte Wikimedia Commons 2018e Além de ser precursor dos hormônios esteroides o colesterol participa da constituição da membrana plasmática Figura 23 promovendo rigidez moderada a este envoltório celular Figura 23 Representação do modelo de mosaico fluido evidenciando a participação do colesterol na composição da membrana plasmática Fonte Drews 2011 CONSIDERAÇÕES FINAIS Concluindo esta unidade II deve ter orientado você sobre a estrutura composição e função dos carboidratos e lipídios Na unidade III discutiremos o metabolismo de carboidratos UNIDADE 35 WWWUNINGABR ENSINO A DISTÂNCIA SUMÁRIO DA UNIDADE INTRODUÇÃO 36 GLICÓLISE 37 GLICOGÊNESE GLICOGENÓLISE e GLICONEOGÊNESE 47 CONSIDERAÇÕES FINAIS 52 METABOLISMO DE CARBOIDRATOS PROFA DRA GISELE CAROLINE NOVAKOWSKI 03 36 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 3 ENSINO A DISTÂNCIA INTRODUÇÃO Nesta unidade abordaremos o metabolismo de carboidratos isto é a utilização da glicose ou seus derivados como combustível celular Historicamente o entendimento do metabolismo de carboidratos foi iniciado com Louis Pasteur 1860 que descreveu o processo de fermentação como um processo estritamente relacionado às células vivas Vale mencionar que a degradação da glicose glicólise é um processo fermentativo Em 1905 Arthur Harden e William Young descobriram que o fosfato inorgânico Pi era essencial para o processo de fermentação continuar Posteriormente esses pesquisadores isolaram a frutose 16 bifosfato chegando a outros compostos presentes na degradação da glicose A via glicolítica completa foi esclarecida em torno de 1940 Vários cientistas contribuíram para a elucidação dessa via dentre eles Gustav Embdet Otto Meyerhof Jacob Parnas Carl Neuberg Carl Cori e Gerty Cori Em heterótrofos seres que obtém energia a partir da degradação de moléculas orgânicas o processo de produção de energia a partir da oxidação dos carboidratos é composto por quatro estágios 1º Digestão Mecanismo em que os alimentos sofrem quebras na sua estrutura molecular até se tornarem unidades menores gerando então os monossacarídeos os aminoácidos o glicerol e os ácidos graxos 2º Glicólise Estágio em que as moléculas de glicose são degradadas gerando energia na forma de poucos ATP 3º Ciclo do Ácido Cítrico ou Ciclo de Krebs Fase que resulta em compostos essenciais para geração de ATP na fosforilação oxidativa 4º Fosforilação oxidativa Fase com os maiores saldos de ATP Assim sendo em um primeiro momento serão discutidas as etapas da glicólise e a seguir serão explorados os estágios do ciclo do ácido cítrico e fosforilação oxidativa Serão aqui destacadas as enzimas que atuam nas vias e o saldo de ATP produzido em cada processo Para compor este material foram utilizados especialmente os seguintes livros Nelson e Cox 2011 Smith et al 2008 Stryer 2004 Voet e Voet 2013 Literaturas adicionais que complementaram esta apostila foram destacadas ao longo do texto 37 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 3 ENSINO A DISTÂNCIA GLICÓLISE Esse processo corresponde a quebra da glicose em moléculas mais simples que são os substratos para o ciclo do ácido cítrico De modo geral os tecidos têm diferentes necessidades de glicose por esta razão a glicólise é a principal via do metabolismo de carboidratos É um processo que acontece no citosol sendo que a glicose adentra as células por difusão facilitada através de transportadores do tipo GLUT Figura 1 Agora que sabemos que a glicólise corresponde à degradação lise de glicose vamos partir de uma situação cotidiana para entender esse processo Imagine que você está em um jejum de oito horas após uma noite de sono e quando acorda o nível glicêmico está baixo tanto no meio extracelular quanto no intracelular e isso lhe dá a sensação de fome Ao comer alguma fonte de glicose como o pão você estará fornecendo ao meio extracelular uma concentração maior de glicose que o meio intracelular Essa maior concentração de glicose estimula as células beta pancreáticas a secretar insulina para a corrente sanguínea Dessa forma a insulina desencadeia o mecanismo de entrada de glicose na célula a favor de um gradiente por meio de transportadores do tipo glut Figura 1 Assim a glicose passa rapidamente do meio extracelular para o meio intracelular promovendo uma alteração de concentração Figura 1 Esquema do mecanismo de difusão da glicose por meio de transportadores glut Fonte Wikimedia Commons 2018 Na Figura 1 em 1 a Insulina se liga a receptores de membrana Em 2 Translocação de transportadores glut do citosol para a membrana plasmática 3 Entrada de glicose por difusão em 4 ocorre a Síntese de glicogênio e 5 a Glicólise e em 6 há a Síntese de ácido graxo Para termos uma ideia geral do metabolismo de carboidratos devemos compreender que a medida que a glicose entra ela será em parte oxidada para geração de ATP Mas o saldo excedente de glicose intracelular será armazenado na forma de glicogênio que funcionará como uma reserva de glicose quando houver hipoglicemia sanguínea Ainda mediante quantidade elevadas de glicose intracelular há a formação de ácidos graxos a partir de intermediários do metabolismo da glicose Estas vias que envolvem a glicose estão sumarizadas na Figura 1 mas serão detalhadas a seguir Agora que temos a visão geral do metabolismo de carboidratos vamos iniciar o passoa passo das vias metabólicas Primeiramente devemos entender que a partir da entrada de glicose o meio intracelular tornase tanto concentrado quanto o extracelular e depois tornase mais 38 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 3 ENSINO A DISTÂNCIA concentrado que o meio extracelular Imagine que do mesmo modo que a glicose entra da célula a favor de um gradiente esse monossacarídeo poderia sair da célula à medida que há redução de sua concentração extracelular Porém isso não ocorre ou seja a glicose é impedida de sair da célula pois sofre uma fosforilação no C6 e tornase glicose6 fosfato Essa reação é catalisada pela enzima hexocinase e faz com que a glicose se torne impermeável em relação à membrana e fique impedida de sair do interior celular Após essa reação o complexo enzimático celular da glicólise irá transformar cada molécula de glicose em duas moléculas de piruvato e também passará a produzir como resultado líquido 2 ATP e 2 NADH2 Pois bem a seguir vamos aos detalhes desse processo denominado de glicólise Em termos gerais verificase que o processo de glicólise envolve duas fases a preparatória ou de consumo e a de pagamento A primeira inclui reações que consomem ATP e resultam em duas moléculas com 3 carbonos a partir da glicose a dihidroxicetona fosfato e o gliceraldeído 3fosfato A segunda integra reações que transformam gliceraldeído3fosfato em piruvato Nessa fase há geração de ATP Na sequência vamos analisar as reações que ocorrem nas fases preparatória e de pagamento FASE PREPARATÓRIA CONSUMO DE ATP Na primeira reação a glicose que entra nos tecidos é fosforilada no grupo hidroxila no carbono 6 C6 e origina a glicose6fosfato e ADP Figura 2 Para que essa fosforilação aconteça é necessário o consumo de uma molécula de ATP Essa reação catalisada pela enzima hexocinase é irreversível A hexocinase utiliza o complexo Mg2 ATP sem o qual a reação é impedida Trata se de um dos três passos que regulam a glicólise A fosforilação da glicose na primeira reação impede que ela saia da célula pois o grupo fosfato adicionado a torna carregada negativamente e por isso fica ela impedida de atravessar a membrana plasmática por transporte passivo Figura 2 Primeira reação da glicólise Modificado de Nelson e Cox 2011 A glicose6fosfato é uma molécula comum a algumas vias do metabolismo de carboidratos Ela é um precursor para certas rotas que utilizam a glicose incluindo glicólise via das pentoses fosfato e síntese de glicogênio Além disso ela também pode ser gerada a partir de outras rotas do metabolismo de carboidratos tais como glicogenólise quebra de glicogênio e gliconeogênese síntese de glicose a partir de moléculas que não são carboidratos A segunda reação da glicólise é catalisada pela enzima fosfoexose isomerase Nessa reação a glicose6fosfato sofre isomeria e é convertida em frutose6fosfato Esta isomerização tem uma função importante na via glicolítica uma vez que o rearranjo dos grupos carbonil e hidroxil em C1 carbono 1 e C2 é uma preparação necessária para os próximos passos A fosforilação que ocorre na reação seguinte reação 3 requer que o grupo em C1 seja primeiramente convertido de um carbonil para um álcool e na reação subsequente reação 4 a clivagem da ponte entre C3 e C4 pela aldolase requer um grupo carbonil em C2 Observe a segunda reação da glicólise na Figura 3 39 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 3 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 3 Segunda reação da glicólise Modificado de Nelson e Cox 2011 A frutose6fosfato é depois fosforilada a frutose16bisfosfato Figura 4 pela ação da fosfofrutocinase 1 PK1 Este é o ponto de nãoretorno desta via metabólica uma vez que a partir do momento em que a glicose é transformada em frutose16bisfosfato não pode ser usada em nenhuma outra via Figura 4 Terceira reação da glicólise Modificado de Nelson e Cox 2011 Na sequência a frutose16bisfosfato é quebrada em duas moléculas de três carbonos cada o gliceraldeído3fosfato e a diidroxicetona fosfato Figura 5 Estas duas moléculas dihidroxiacetonafosfato e gliceraldeído3fosfato são facilmente interconvertíveis por isomerização Essa reação é catalisada pela triose fosfato isomerase TPI Figura 5 Quarta clivagem da frutose 16 bifosfato e quinta isomerização da diidroxicetona a gliceraldeído 3P reações da glicólise TPI enzima triose fosfato isomerase Fonte Silva 2002 40 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 3 ENSINO A DISTÂNCIA FASE DE PAGAMENTO PRODUÇÃO DE ATP A sexta reação da glicólise consiste na oxidação do gliceraldeído3fosfato pelo NAD nicotinamida adenina dinucleotídeo Essa reação é catalisada pela enzima gliceraldeído 3fosfato desidrogenase GAPDH e é bastante espontânea portanto pode ser usada para produzir ATP A produção de ATP é feita em dois passos No primeiro dáse a oxidação do gliceraldeído 3fosfato como citado no parágrafo anterior Após na sétima reação da glicolise ocorre a fosforilação do 13 bifosfoglicerato como mostrado na Figura 6 Essa reação é catalisada pela enzima fosfoglicerato cinase e produz ATP Figura 6 Sexta e sétima reações da glicólise Fonte Silva 2002 O 3fosfoglicerato é isomerizado a 2fosfoglicerato que depois de desidratado perde H2O dá origem ao fosfoenolpiruvato Figura 7 Figura 7 Oitava e nona reações da glicólise Fonte Silva 2002 Devido ao seu elevado potencial de transferência de fosfato o fosfoenolpiruvato pode transferir um fosfato ao ADP produzindo ATP como mostrado Figura 8 Décima reação da glicólise Fonte Silva 2002 SALDO DA GLICÓLISE Considerando a oxidação de uma molécula de glicose na glicólise gastase portanto 2 ATPs primeira fase até a formação das duas moléculas de gliceraldeído3fosfato e produzse 4 ATPs Assim o saldo da glicólise é de 2 ATPs 4 ATP produzidos 2 ATP gastos O NAD deve ser regenerado uma vez que participa da sexta reação da glicólise caso contrário o processo cessa Na presença de oxigênio aerobiose o NADH transfere os seus elétrons para a cadeia 41 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 3 ENSINO A DISTÂNCIA transportadora de elétrons que discutiremos num terceiro momento nessa apostila Na ausência de oxigênio anaerobiose o NADH transfere os seus elétrons para o piruvato dando origem a lactato É o que se denomina fermentação lática Figura 9 um processo catalisado pela enzima lactato desidrogenase Figura 9 Representação da fermentação lática Fonte Jay 2006a Ainda na ausência de oxigênio alguns microrganismos podem realizar um processo fermentativo denominado de fermentação alcoólica Esse processo é muito usado na indústria para gerar bebidas alcoólicas Em termos bioquímicos consiste na produção de álcool etílico e CO2 a partir de piruvato Figura 10 Figura 10 Representação da fermentação alcoólica TPP tiamina pirofosfato Fonte Jay 2006b Na fermentação lática ou alcoólica são produzidas 2 ATPs ou seja é uma quantidade muito menor que aquela produzida pela degradação completa da glicólise em vias aeróbias 42 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 3 ENSINO A DISTÂNCIA como será descrito adiante CICLO DE KREBS OU CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO Após terem ocorrido as reações da glicólise temos como resultado final a formação de duas moléculas de piruvato para cada glicose Este piruvato é transportado para dentro da matriz mitocondrial através da ação do complexo enzimático denominado de complexo piruvato desidrogenase Uma das enzimas que fazem parte deste complexo E1 apresenta uma ação de descaboxilase na qual retira um carbono do piruvato na forma de CO2 Assim o piruvato resulta em uma molécula de acetilcoenzima A acetil CoA CO2 Essa descarboxilação deve ser vista como a maneira de diminuir um átomo de carbono da molécula de piruvato 3C para gerar a acetilCoA com dois carbonos O complexo piruvato desidrogenase é complexo pois contém vários cofatores lipoato FAD coenzima A CoASH Figura 11 Figura 11 Síntese de acetilcoA E1 enzima piruvato desidrogenase E2 diidrolipoil transacetilase E3 dihidrolipoil desidrogenase Fonte Nelson e Cox 2011 Essa redução do número de carbonos é fundamental pois a primeira reação do ciclo do ácido cítrico é uma reação de síntese entre a acetilCoA2C e o oxaloacetato4C para formar o citrato ou ácido cítrico6C através da ação da enzima citrato sintase Figura 12 Figura 12 Síntese do citrato Modificado de Nelson e Cox 2011 Lembrese que a glicólise é um processo de independe de oxigênio mas o seu produto final o piruvato em condições aeróbias seguirá para o ciclo de ácido cítrico Entretanto o metabolismo anaeróbio pode ser uma alternativa para produção de ATPs Por exemplo durante uma atividade intensa dos músculos estriados esqueléticos quando o oxigênio estiver ausente o piruvato será convertido a lactato Nessas condições a fermentação lática será responsável pela produção de ATPs nesse tecido O acúmulo de lactato nos músculos é responsável para dor sentida após exercícios físicos intensos 43 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 3 ENSINO A DISTÂNCIA A partir do citrato ocorrem oito reações em sequência até que este retorne a oxaloacetato Figura 13 As reações serão intermediadas por enzimas denominadas de desidrogenases que retiram hidrogênio do substrato e este é carreado por uma coenzima na forma oxidada Essa coenzima pode ser o NAD ou FAD nunca as duas ao mesmo tempo O NAD após receber o hidrogênio será transformado na forma reduzida conhecida como NADH2 O FAD será transformado em FADH2 Figura 13 Reações do ciclo do ácido cítrico Fonte Nelson e Cox 2011 Já sabemos que a redução dos números de carbonos ao longo do ciclo do ácido cítrico Figura 13 ocorre através da retirada de carbono e formação de CO2 Mas vale mencionar que o CO2 é eliminado através do processo de expiração Observe também na Figura 13 que ocorre a produção de um nucleotídeo fosfatado denominado de GTP guanosina trifosfato Este é convertido em ATP no interior celular O rendimento energético ao núcleo de substrato é muito baixo somente 1 GTP por piruvato que entra no ciclo Como entram 2 piruvatos são produzidos 2 GTPs SALDO DO CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO O resultado do ciclo do ácido cítrico é portanto AcetilCoA oxaloaceato 3NAD GDP Pi FAD oxaloaceato 2 CO2 FADH23 NADH 3 H GTP 44 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 3 ENSINO A DISTÂNCIA FOSFORILAÇAO OXIDATIVA CADEIA RESPIRATÓRIA Esta etapa do metabolismo de carboidratos chamada de fosforilação oxidativa ou também denominada de cadeia transportadora de elétrons consiste no transporte de elétrons a partir de substâncias aceptoras intermediárias NAD e FAD provenientes da glicólise e do ciclo do ácido cítrico Veja quão importantes são esses nucleotídeos transportadores de elétrons Essas moléculas também carregam os prótons H até a membrana interna da mitocôndria onde são liberados na cadeia respiratória formada por proteínas transmembranas chamadas proteínas transportadoras A partir desse ponto os elétrons são carreados ao longo dos completos de proteínas integrais da membrana mitocondrial interna ao passo que os prótons são gradativamente armazenados no espaço entre as membranas interna e externa da mitocôndria No espaço intermembrana os prótons H se concentram e por diferença de concentração tendem a ser forçados a transpor por difusão uma última proteína complexo ATP sintase que gera fluxo capaz de promover energia suficiente para ser absorvida na reação de conversão de ADP adenosina difosfato em ATP adenosina trifosfato molécula energética utilizada no metabolismo celular Os elétrons carreados ao longo da membrana mitocondrial interna da cadeia respiratória são captados por moléculas de oxigênio funcionando como aceptores finais de elétrons Essa recepção dos elétrons pelo oxigênio gera como produto final a água A fim de compreendermos os detalhes desse transporte de elétrons na membrana mitocondrial interna é importante mencionar que antes de reagirem como o O2 porém os elétrons percorrem uma longa e complexa trajetória na qual se combinam sucessivamente com diversas substâncias aceptoras intermediárias como citocromo C cit C na figura abaixo e ubiquinona ou também chamada de coenzima Q UQ na figura abaixo Ao final dessa trajetória os elétrons encontram seus parceiros definitivos os átomos de oxigênio do O2 Esse conjunto de substâncias transportadoras de elétrons constitui a cadeia transportadora de elétrons Observe o transporte de elétrons na cadeia transportadora conforme mostra a Figura 14 REFLITA A grande contribuição do ciclo do ácido cítrico está no fato desse processo ser gerador de NADH2 e FADH2 Estes nucleotídeos são encaminhados para a fosforilação oxidativa na membrana mitocondrial interna gerando uma quantidade grande de ATPs 45 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 3 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 14 Representação das etapas da fosforilação oxidativa Fonte Wikimedia Commons 2013 Observe que as moléculas de NAD de FAD e de citocromo que participam da cadeia respiratória transferem os elétrons através de reações que liberam energia para cada um dos complexos proteicos I a IV Os complexos portanto são aceptores de elétrons que fazem parte da cadeia respiratória estão dispostos em sequência na parede interna da mitocôndria Os complexos I a IV também recebem outra denominação Complexo I ou NADH desidrogenase Complexo II ou Succinato desidrogenase Complexo III ou Ubiquinona citocromo C oxirredutase Complexo IV ou Citocromo oxidase Cada molécula de NADH2 que inicia a cadeia respiratória leva à formação de 3 ATPs a partir de três moléculas de ADP e três grupos fosfatos Pi como pode ser visto na equação a seguir O termo fosforilação oxidativa referese à produção de ATP pois a adição de fosfato ao ADP para formar ATP é uma reação de fosforilação A fosforilação é chamada de oxidativa porque ocorre em diversas oxidações sequenciais nas quais o último agente oxidante aceptor final de elétrons é o gás oxigênio O2 A energia liberada pelos elétrons durante sua passagem pela cadeia respiratória é usada para forçar a passagem de íons H para o espaço existente entre as duas membranas 46 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 3 ENSINO A DISTÂNCIA mitocondriais Sabese que a energia liberada por um par de elétrons durante seu deslocamento pela cadeia respiratória do NADH até o O2 é suficiente para transportar 10 íons H para a matriz mitocondrial Os elétrons do FADH2 liberam energia para transportar 6 íons H através da membrana interna mitocondrial A energia liberada pelos elétrons através da cadeia respiratória é usada pelos complexos proteicos I III e IV da membrana para concentrar H no espaço intermembrana da mitocôndria colaborando para o aumento da concentração de H nesse local em relação à matriz Como visto anteriormente a tendência é que os íons H atravessem a membrana interna mitocondrial a favor do gradiente de concentração No entanto a membrana é seletiva e impede a passagem direta do íon H que só pode atravessar a membrana por meio do complexo proteico constituinte da membrana internada denominada ATP sintase Uma vez que os íons atravessam a membrana interna da mitocôndria a favor do gradiente a ATP sintase converte a energia mecânica promovida por esta entrada dos íons em energia química ou seja ATP SALDO DA FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA Antes de comentarmos o saldo de ATPs formados durante a fosforilação oxidativa vamos comentar mais uma vez as ocorrências que levam a essa síntese O complexo I representa a entrada dos elétrons do NADH2 para a cadeia respiratória Esses elétrons via ubiquinona são transportados do complexo I para o complexo III O citocromo C pega os elétrons do complexo III e transporta até o complexo IV chegando os elétrons do complexo IV para o oxigênio e ocorrendo a formação de água Durante o transporte de elétrons pelos complexos I III e IV ocorre o bombeamento de prótons da matriz para o espaço intermembranar Estes prótons bombeados retornam a matriz através do complexo ATP sintase Neste complexo a passagem de prótons por ele faz ocorrer a fosforilação do ADP em ATP Concluindo a cada molécula de glicose que é degradada por vias aeróbias a cadeia respiratória forma cerca de 26 ATPs Resultado final da respiração celular metabolismo de carboidratos Considerando a via aeróbia completa de degradação da glicose temos o saldo de 2ATPs na glicólise 2 ATPs no ciclo do ácido cítrico e entre 2628 ATPs na fosforilação oxidativa Portanto uma molécula de glicose pode produzir um total de 30 a 32 ATPs Figura 15 O link a seguir é uma animação sobre a síntese de ATP a partir da força gerada pela difusão de prótons para a matriz mitocondrial Consulte o seguinte link httpswwwyoutubecomwatchvpzGpxdecAkt5s 47 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 3 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 15 Representação das três etapas da respiração celular glicólise ciclo do ácido cítrico e fosforilação oxidativa Fonte Biomundo 2013 GLICOGÊNESE GLICOGENÓLISE E GLICONEOGÊNESE Vimos até o momento que a glicose pode ser degradada para gerar energia na forma de ATP Além disso foi comentado que os altos níveis de glicose sanguínea determinam sua entrada a favor de um gradiente na célula O fato é que a glicemia isto é a taxa de glicose sanguínea também determina se ela deve ser armazenada na forma de polímeros como o glicogênio ou se outros compostos que não sejam carboidratos devem fornecer precursores a síntese de glicose Essa homeostase do organismo será discutida a partir de agora e iniciaremos pelo armazenamento de glicose na forma de glicogênio GLICOGÊNESE A glicogênese é a síntese de glicogênio Antes de iniciarmos a explicação sobre o processo vale relembrarmos as características dessa molécula assunto apresentado na Unidade II O glicogênio é um polissacarídeo de armazenamento nas células animais e de fungos É um polímero de glicose com ligações α14 entre as subunidades de glicose e α16 nas ramificações Sua síntese ocorre quando os níveis de glicose sanguínea estão elevados Nessas condições a alta glicemia estimula a liberação de insulina pelas células beta pancreáticas Com isso o fígado ou músculos são estimulados a captar glicose e armazenála na forma de glicogênio O glicogênio muscular é uma reserva de combustível para a produção de ATP dentro desse tecido enquanto o glicogênio hepático é uma reserva de glicose para a manutenção das concentrações de glicose no sangue Sob o estímulo da insulina quando começa a entrar grande quantidade de glicose na célula hepática ou muscular ela deve ser encaminhada para vários metabolismos como a glicólise a glicogênese e também a lipogênese formação de lipídios entre outros Para ser encaminhada para a formação de glicogênio a glicose deve estar associada com um nucleotídeo a UDP uridina difosfato formando UDPglicose Observe na figura 16 que a UDPglicose é constituída a partir de glicose 1fosfato que por sua vez é originada pela isomerização de glicose 6fosfato Lembre se que glicose 6fosfato é intermediário da glicólise que recebe o fosfato e fica impedida de sair da célula por isso se acumula e deve ser destinada também a outras vias metabólicas como a glicogênese 48 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 3 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 16 Representação da síntese de glicogênio Fonte Nelson e Cox 2011 A formação de UDPglicose é catalisada pela enzima UDPglicose pirofosforilase Após a formação da UDPglicose a glicogênio sintetase catalisa a retirada de UDP da UDPglicose e a ligação do carbono 1 da glicose recémchegada ao carbono 4 da última molécula do glicogênio em formação constituindo portanto ligações α14 Após a ação da glicogênio sintetase a enzima ramificadora denominada glicosil 46 transferase quebra a ligação α 14 e em seguida coloca a cadeia glicosídica em uma posição acima da estrutura do glicogênio Desse modo são formadas as ligações α16 ramificando a estrutura Figura 17 Depois disso a glicogênio sintetase continua aumentando a cadeia e esse processo ocorre várias vezes até que cesse a estimulação pela insulina Figura 17 Representação da ramificação do glicogênio a partir da ação da enzima glicosil 46 transferase Fonte Nelson e Cox 2011 Observe na Figura 17 que moléculas de glicose são adicionadas a um núcleo de glicogênio préformado Mas como esse núcleo de glicogênio é formado A formação desse núcleo de glicogênio ocorre a partir da adição de UDPglicose à hidroxila do aminoácido tirosina da molécula de glicogenina A partir daí ocorre a adição de mais 7 resíduos de glicose Figura 18 Na sequência a glicogênio sintetase pode atuar como descrito anteriormente simplesmente adicionando glicose à extremidade da molécula de glicogênio 49 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 3 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 18 Formação do núcleo de início da síntese de glicogênio Fonte Nelson e Cox 2011 Glicogenólise Corresponde à lise quebra do glicogênio armazenado nas células Em condições de hipoglicemia taxa baixa de glicose sanguínea a qual ocorre durante o jejum ou mediante exercícios físicos intensos os hormônios adrenalina e glucagon ativam as enzimas da glicogenólise Lembrese que o glicogênio hepático serve como uma reserva de emergência que contribui para o aumento da glicemia O glicogênio dos músculos serve como reserva para a glicólise isto é para produção de ATP Para iniciar a quebra do glicogênio a glicogênio fosforilase quebra as ligações α14 colocando ao mesmo tempo fosfato inorgânico no carbono 1 da molécula de glicose e liberando glicose1fosfato Figura 19 50 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 3 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 19 Representação da quebra das ligações α14 do glicogênio pela ação da glicogênio fosforilase Fonte Nelson e Cox 2011 Esta quebra do glicogênio ocorre até que restem 4 moléculas de glicose na ramificação Na sequência a enzima desramificadora que é uma transferase transfere as 3 últimas moléculas que estão em ligação α14 para a ponta da cadeia sobrando apenas 1 molécula em ligação α16 Depois disso a enzima α16 glicosidase quebra a ligação α16 liberando glicose O que resta é um polissacarídeo linear que continua a ser quebrado pela glicogêniofosforilase até que sobrem 4 moléculas de glicose ligadas à glicogenina Figura 20 A partir daí a enzima glicogênio fosforilase não consegue mais agir sobre as ligações glicosídicas dos 4 resíduos de glicose por isso finalizase desse modo a glicogenólise nessa molécula Figura 20 Representação da quebra das ligações α16 do glicogênio pela ação da enzima desramificadora Fonte Nelson e Cox 2011 51 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 3 ENSINO A DISTÂNCIA À medida que a hipoglicemia persiste e o estoque de glicogênio se reduz a um nível basal um mecanismo acessório de produção de glicose é desencadeado a fim de aumentar a taxa de glicose sanguínea Esse processo é denominado de gliconeogênese GLICONEOGÊNESE A gliconeogênese é uma rota metabólica anabólica anábólica de síntese capaz de gerar glicose a partir de substratos não glicosídicos como aminoácidos glicogênicos glicerol piruvato e lactato Esta via metabólica ocorre quando estamos em jejum prolongado sendo que nessa condição ocorre uma sinalização através do glucagon para o fígado e rins que são os órgãos responsáveis por realizar esta via metabólica Esta via metabólica é dispendiosa em termos energéticos pois nela ocorre gasto de ATP mas é fundamental para manter o nível glicêmico estável no período pósprandial após refeições No caso de glicose gerada a partir de aminoácidos glicogênicos estes perdem seu grupo amino e transformamse em intermediários do ciclo do ácido cítrico p ex oxaloacetato Se o precursor da glicose for o glicerol álcool proveniente da degradação de lipídios triglicerídeos este deve ser convertido em dihidroxicetona fostato via identificada em azul na Figura 21 Em se tratando de lactato este pode formar piruvato no fígado e assim entrar na gliconeogênese Se o precursor da glicose for o piruvato ele seguirá a via gliconeogênica descrita no próximo parágrafo e evidenciada na Figura 21 Figura 21 Representação das vias metabólicas opostas glicólise e gliconeogênese Fonte a autora Um dos grandes erros que se comete ao pensar sobre a gliconeogênese é tratála como se fosse apenas uma inversão da glicólise ou seja partindo da molécula de glicose a transformamos em 2 moléculas de piruvato através de 10 reações da glicólise dessa forma para realizar a gliconeogênese a partir do lactato basta andar para atrás na via O impedimento nesse 52 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 3 ENSINO A DISTÂNCIA raciocínio está no fato de que 3 etapas da glicólise ocorrem por ação de enzimas que apresentam um deslocamento no equilíbrio químico da reação no sentido de gerar produto e não retornar a reagentes Essas enzimas são a hexocinase fosfofrutocinase1 e piruvato cinase Por esta razão não é possível simplesmente reverter o processo Além disso observe na Figura 21 que na gliconeogênese atuam enzimas diferentes das que catalisam as reações da glicólise Considerando a síntese de glicose a partir do piruvato o primeiro passo da gliconeogênese é mandar o piruvato para dentro da mitocôndria onde esse será transformado em oxaloacetato pela ação da piruvato carboxilase mitocondrial Esse oxaloacetato será transformado em malato e exportado da matriz mitocondrial para o citoplasma onde será transformado em oxaloacetato citoplasmático e pela ação da fosfoenolpiruvato descarboxilase será transformado em fosfoenolpiruvato O segundo passo consiste na transformação da frutose16bifosfato pela frutose 6bifosfatase em frutose6fosfato O terceiro passo é transformar a glicose6fosfato em glicose pela ação da glicose6fosfatase Essas vias estão representadas na Figura 21 CONSIDERAÇÕES FINAIS A compreensão da gliconeogênese é fundamental para o estudo do esforço físico ou durante o jejum prolongado pois assim que consumimos o glicogênio hepático durante um exercício leve a moderado tempo de 30 a 45 minutos de exercício temos uma baixa na taxa glicêmica e o passamos a usar ácidos graxos para fornecer energia para a contração muscular Com o tempo de uso de ácidos graxos e agora com um nível glicêmico muito baixo passamos a desmontar os músculos para fornecer aminoácidos glicogênicos como a alanina aminoácido para produzir glicose através da gliconeogênese Todavia o consumo de aminoácido leva a uma alteração na taxa de nitrogênio do organismo e logo esse para de utilizar a musculatura e volta a usar ácidos graxos Assim temos uma perda de massa muscular durante o exercício físico prolongado sem reposição de glicose afetando o desempenho de atletas profissionais Esta relação entre a gliconeogênese e as outras vias metabólicas também é de extrema importância para se compreender os estados de desnutrição como calóricoproteico que ocorrem em situações de extrema pobreza econômica e também em estados terminais de algumas doenças crônicas Na unidade IV discutiremos o metabolismo de lipídeos proteínas e comentaremos a integração das vias metabólicas UNIDADE 53 WWWUNINGABR ENSINO A DISTÂNCIA SUMÁRIO DA UNIDADE INTRODUÇÃO 54 BETAOXIDAÇÃO DOS ÁCIDOS GRAXOS 55 METABOLISMO DE PROTEÍNAS 61 VIAS METABÓLICAS INTEGRADAS 64 CONSIDERAÇÕES FINAIS 68 METABOLISMO DE LIPÍDIOS E PROTEÍNAS VIAS INTEGRADAS PROFA DRA GISELE CAROLINE NOVAKOWSKI 04 54 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 4 ENSINO A DISTÂNCIA INTRODUÇÃO Na unidade III discutimos o metabolismo celular enfatizando vias que ocorrem em vários tipos celulares Vimos como as células utilizam os carboidratos para produção de ATP Nessa unidade discutiremos como os lipídios podem ser a base de uma via importante para geração de energia quando o estoque de carboidratos já foi consumido Do mesmo modo vamos analisar em que condições as proteínas podem suprir algumas vias metabólicas cuja finalidade é a produção de energia na célula Fique atento ao fato de que o organismo necessita de energia ainda que num nível basal para que os diversos tecidos desempenhem suas funções especialmente o tecido nervoso Assim sendo a degradação de lipídios e proteínas constituem vias alternativas e o gatilho para que sejam desencadeadas é a baixa glicemia hipoglicemia Essa concentração baixa de glicose sanguínea por sua vez pode ser o resultado de jejum prolongado exercícios físicos intensos ou até mesmo ser consequência de certas doenças metabólicas Vale observar também que é possível que um mau hábito alimentar ou uma rotina desregrada leve a perda muscular consequência da degradação de proteínas ou acúmulo de tecido adiposo no indivíduo Tais aspectos também serão comentados ao longo dessa apostila Em um primeiro momento serão abordados alguns aspectos pertinentes ao metabolismo de lipídios e a seguir trataremos da degradação de proteínas Por fim integraremos as vias de carboidratos lipídios e proteínas com o intuito de fornecer uma visão geral do metabolismo do organismo Para compor este material foram utilizados especialmente os seguintes livros Nelson e Cox 2011 Smith et al 2008 Stryer 2004 Voet e Voet 2013 Literaturas adicionais que complementaram esta apostila foram destacadas ao longo do texto 55 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 4 ENSINO A DISTÂNCIA BETAOXIDAÇÃO DOS ÁCIDOS GRAXOS BETAOXIDAÇÃO DOS ÁCIDOS GRAXOS A degradação dos lipídios para suprimento energético Quando consumimos alguma fonte de lipídio como os óleos de origem vegetal ou gorduras de origem animal estamos ingerindo uma fonte de triacilglicerol assunto abordado na unidade II Este lipídio de reserva pode ser de cadeia saturada monoinsaturada ou poliinsaturada quando se constata respectivamente a presença de ligações simples uma dupla ligação ou várias insaturações entre os carbonos que constituem a cadeia lipídica Também os classificamos em cadeias curtas médias e longas conforme o número de carbonos Após ser absorvido no intestino delgado cada triacilglicerol sofre a ação das lipases entéricas e assim é separado em uma molécula de glicerol e três ácidos graxos O glicerol pode ser utilizado na via glicolítica para gerar ATP ou seja pode ser um precursor da gliconeogênese assunto discutido na unidade III Os ácidos graxos são acoplados a albumina do plasma sanguíneo e transportados para várias partes do corpo onde podem ser metabolizados durante o processo de betaoxidação Ou ainda os ácidos graxos podem ser armazenados na forma de triacilgliceróis em células especializadas denominadas adipócitos A medida em que há a necessidade de mobilização desses lipídios p ex jejum frio ou exercício físico intenso os hormônios adrenalina e o glucagon estimulam as lipases dos adipócitos a quebrarem os triacilgliceróis Como resultado os ácidos graxos resultantes da quebra dos triacilgliceróis são liberados novamente para a corrente sanguínea e alcançam os tecidos que realizarão a beta oxidação A partir de agora vamos abordar os detalhes desse processo de betaoxidação dos lipídios Os ácidos graxos de cadeia curta e média entram na matriz mitocondrial para serem oxidados sem a necessidade de uma proteína transportadora encontrada no espaço intermembranar da mitocôndria chamada de Lcarnitina Mas na dieta humana predominam os ácidos graxos de cadeia longa acima de 12 carbonos portanto ocorre a necessidade de serem marcados pela Lcarnitina para serem transportados pela carnitina aciltransferaseI do espaço intermembranar para a matriz mitocondrial Essa ativação dos ácidos graxos necessária para que sejam transportados para o interior da mitocôndria ocorre em três reações Na primeira reação a enzima acilCoA sintetase presente na membrana mitocondrial externa catalisa a ligação do ácido graxo a coenzima A CoA passando a ser chamado de acilCoA graxo Essa reação consome energia quebra ATP como mostrado a seguir O acilCoA graxo é impermeável a membrana mitocondrial interna Portanto ocorre a ligação da Lcarnitina ao acilgraxo e a molécula de CoA é liberada Essa reação é catalisada pela acil transferase I presente na membrana mitocondrial externa e forma o acilcarnitina graxo Figura 1 56 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 4 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 1 Entrada dos ácidos graxos na matriz mitocondrial Modificado de Nelson e Cox 2011 Na sequência o acilcarnitina graxo atravessa a membrana mitocondrial interna e adentra a matriz por difusão facilitada pelo transportador denominado acilcarnitinacarnitina veja a representação desse transportador de membrana na figura 1 Uma vez na matriz a carnitina é liberada e a CoA é ligada ao acilgraxo Essa reação á catalisada pela aciltransferase II Figura 1 A carnitina liberada na matriz retorna ao espaço intermembrana Portanto conforme essas três reações discutidas o ácido graxo de cadeia longa com 12 ou mais carbonos adentra a matriz mitocondrial e segue para a betaoxidação Há diferenças na betaoxidação dos ácidos graxos dependendo da presença de insaturações e do número de carbonos que compõem a cadeia Durante o processo de beta oxidação o ácido graxo de cadeia par e saturado é separado de dois em dois carbonos gerando acetilCoA Se a cadeia lipídica tiver 16 carbonos ela gerará 8 moléculas de acetilCoA Estágio 1 Figura 2 que será encaminhada ao ciclo do ácido cítrico e gerará NADH2 FADH2 e GTP Estágio 2 Figura 2 Esses NADH2 e FADH2 serão encaminhados a fosforilação oxidativa Estágio 3 Figura 2 e gerará ATP em grandes quantidades Figura 2 Figura 2 Representação da betaoxidação de ácidos graxos Modificado de Nelson e Cox 2011 57 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 4 ENSINO A DISTÂNCIA Todavia vale mencionar que o processo de betaoxidação exige a atuação de pelo menos quatro enzimas A Figura 3 traz como exemplo a betaoxidação do palmitoil um lipídio saturado e com 16 carbonos Perceba nesse exemplo que a cada remoção de um acetilCoA as enzimas catalisam reações de desidrogenação hidratação ou transferência de grupos Figura 3 Representação da betaoxidação do palmitoil um ácido graxo com 16 carbonos Modificado de Nelson e Cox 2011 Se a cadeia for poliinsaturada mas de número par de carbonos antes de ocorrer as reações citadas anteriormente duas enzimas uma isomerase e uma redutase promoverão o reposicionamento da insaturação Com isso o produto dessas duas reações será reconhecido pelas enzimas da betaoxidação e assim serão geradas moléculas de acetilCoA normalmente Se a cadeia apresentar número ímpar de carbonos ocorrerá a formação de acetil CoA até sobrar uma estrutura de 3 carbonos finais resultando no ácido graxo denominado de malonil CoA Este passa por três reações carboxilação isomerização e rearranjo intramolecular e é convertido em succinilCoA Daí em diante basta lembrarmos que succinilCoA é intermediário do ciclo do ácido cítrico Portanto succinilCoA pode ser metabolizado normalmente no ciclo do ácido cítrico Figura 4 58 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 4 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 4 Representação da betaoxidação de um ácido graxo de cadeia ímpar de carbonos Modificado de Nelson e Cox 2011 FORMAÇÃO DOS CORPOS CETÔNICOS Em situações de baixa concentração de glicose no sangue como jejum prolongado ou mediante exercícios físicos intensos a betaoxidação é uma alternativa para a produção de energia pois libera FADH2 e NADH Consequentemente há muita produção de acetilCoA durante a betaoxidação O ciclo do ácido cítrico não consegue absorver todo esse substrato lembrese que acetilCoA ligase ao oxaloacetato no ciclo do ácido cítrico pois na tentativa de restaurar a glicemia em níveis basais os intermediários desse ciclo atuam na gliconeogênese Assim sendo as moléculas de acetilCoA excedentes provenientes da beta oxidação são convertidas em três compostos denominados de corpos cetônicos acetona acetoacetato e Dbetahidroxibutirato Figura 5 A coenzima A CoA de cada molécula de acetilCoA é liberada e normalmente pode ser utilizada no ciclo do ácido cítrico para se unirem ao oxaloacetato vide ciclo do ácido cítrico para relembrar esta etapa Figura 5 Representação da estrutura química dos corpos cetônicos Fonte a autora A acetona é o corpo cetônico produzido em menor quantidade e é eliminada por exalação O acetoacetato e o Dbetahidroxibutirato são transportados pela corrente sanguínea para os tecidos que requerem energia p ex músculo esquelético e cardíaco córtex renal Os corpos cetônicos também podem ser usados como fonte de energia no cérebro em casos de desnutrição 59 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 4 ENSINO A DISTÂNCIA nos quais a disponibilidade de glicose é mínima O Dbetahidroxibutirato é oxidado até acetoacetato pela Dbetahidroxibutirato desidrogenase nos tecidos extrahepáticos O acetoacetato é ativado para formar o éster da coenzima A por transferência do CoA do succinilCoA um intermediário do ciclo do ácido cítrico numa reação catalisada pela betacetoacilCoA transferase O acetoacetilCoA é então clivado pela tiolase para liberar duas moléculas de acetilCoA que entram no ciclo do ácido cítrico CONSIDERAÇÕES FINAIS SOBRE A BETAOXIDAÇÃO DE LIPÍDIOS De modo geral a oxidação de ácidos graxos deve ser entendida como uma forma emergencial de produção de energia Todavia essa não deve ser a única forma que a célula tem para gerar ATP O fato é que a produção em excesso de corpos cetônicos tem como consequência a redução do pH sanguíneo provocando uma condição conhecida como cetoacidose Uma acidose profunda pode provocar coma e até levar o indivíduo ao óbito Por outro lado sabemos que os lipídios são essenciais para a manutenção da homeostase do organismo Quando temos que elaborar uma dieta para perda de tecido adiposo temos que levar em consideração que lipídios de uma dieta devem ser reduzidos e não retirados totalmente A retirada total de lipídio só poderá ocorrer em situação de patologias que a exigem A presença de lipídios na dieta é importante para a absorção das vitaminas lipossolúveis e também para a biossíntese de moléculas fundamentais para os processos fisiológicos como hormônios derivados do colesterol p ex testosterona e estrogênio SÍNTESE DE ÁCIDOS GRAXOS Em humanos os ácidos graxos são sintetizados especialmente no fígado sendo que a glicose é a principal fonte de carbonos para essa finalidade Durante a glicólise a glicose é convertida em piruvato o qual entra na mitocôndria e pode gerar acetilCoA ou oxaloacetato Figura 6 AcetilCoA e oxaloacetato se unem formando citrato que é transportado para o citosol onde sofre quebra e libera o acetilCoA e oxaloacetato neste local Figura 6 Esquema da via metabólica da síntese de ácidos graxos Fonte Google sites 2018 60 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 4 ENSINO A DISTÂNCIA As moléculas de acetilCoA liberadas no citosol geram o malonilCoA por carboxilação acréscimo de CO2 sendo que ambas as moléculas são necessárias à síntese de ácidos graxos O oxaloacetato é reduzido a malato que é descarboxilado perde CO2 e desidrogenado para gerar piruvato Essa reação de conversão de malato a piruvato é catalisada pela enzima málica e tem também como resultado a redução do NADP a NADPH um nucleotídeo importante para a síntese de ácidos graxos De modo simples há um complexo enzimático denominado de ácido graxo sintase constituído por 7 enzimas que utilizam como ingredientes o acetilCoA malonilCoA ATP e o nucleotídeo NADPH produzido pela via das pentosesfosfato ou pela ação da enzima málica para formar os ácidos graxos As moléculas de ATP são utilizadas para converter acetilCoA em malonilCoA A síntese do ácido graxo se dá quando o complexo ácido graxosintase utiliza o acetilCoA como molécula iniciadora na qual malonilCoA é ligada Após a adição de malonil CoA o ácido graxo em formação é submetido a duas reações de redução que requerem NADPH A partir desta etapa a cadeia de ácido graxo em formação vai se elongando à medida que malonil CoA é repetidamente adicionado como mostra a Figura 7 Observe que tanto a molécula de acetilCoA quanto a de malonilCoA funcionam como fornecedoras de carbono para o ácido graxo em formação Figura 7 Síntese e elongamento da cadeia de ácido graxo pela ação do complexo ácido graxo sintase Modificado de Nelson e Cox 2011 SÍNTESE DE ÁCIDOS GRAXOS INSATURADOS O mecanismo descrito anteriormente explica a formação de um ácido graxo saturado No entanto além daquelas já descritas para a formação do ácido graxo saturado para a formação dos ácidos graxos insaturados são necessárias reações adicionais que envolvem a sua oxidação Para que os ácidos graxos sejam oxidados é necessária a presença de oxigênio e também do nucleotídeo NADH Normalmente as reações de síntese de ácido graxo insaturados envolvem a inserção da dupla ligação entre os carbonos 3 e 4 6 e 7 ou 9 e 10 constituindo respectivamente os lipídios chamados de ômega 3 6 e 9 Vale mencionar que essas reações que promovem a insaturação dos ácidos graxos acontecem no retículo endoplasmático 61 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 4 ENSINO A DISTÂNCIA Para compreender a nomenclatura ômega e delta dos lipídios consulte o capítulo 10 de Nelson e Cox 2011 SÍNTESE DO TRIACILGLICEROL Sabemos que a forma de armazenamento de lipídios nos adipócitos não é o ácido graxo livre e sim o triacilglicerol Vimos na unidade II que o triacilglicerol é um lipídio de reserva compostos por uma molécula de glicerol unida à três moléculas de ácidos graxos Estes ácidos graxos do triacilglicerol podem ser saturados ou não e não precisam ser idênticos Simplificadamente a formação do triacilglicerol acontece no fígado e também nos adipócitos O glicerol necessário a formação desse lipídio de reserva provém do metabolismo de carboidratos especificamente durante a glicólise na qual é gerado o gliceraldeído3fosfato ou G3P Por sua vez a metabolização de G3P com ácidos graxos forma o triacilglicerol CONSIDERAÇÕES FINAIS SOBRE A SÍNTESE DE LIPÍDIOS É importante que você reflita sobre a condição necessária para que a síntese de lipídios aconteça Mentalize que os ácidos graxos serão produzidos caso haja ATP disponível e a condição fisiológica seja a de alta taxa glicêmica Nesse caso a glicose que já foi armazenada na forma de glicogênio está em excesso na célula e por isso está constituindo grandes quantidades de acetilCoA Dessa forma a sinalização celular é desencadeada por esses fatores disponibilidade de acetilCoA e de ATP Lembrese que o ATP é requerido para formar malonilCoA a partir de acetilCoA Também devemos lembrar que NADPH é requerido nas reações de redução catalisadas por enzimas do complexo ácido graxo sintase METABOLISMO DE PROTEÍNAS Nesse item veremos sobre a Oxidação dos aminoácidos e ciclo da ureia Quando fazemos uso de alimentos proteicos em nossa dieta estamos utilizando os aminoácidos dos quais a proteína é feita Dos vinte aminoácidos primários que constituem as proteínas temos 10 deles que são essenciais ao organismo humano e devem ser adquiridos na dieta Quando fazemos o uso de proteínas e separamos seus aminoácidos pela ação das peptidases do sistema digestório e desse modo acabamos por fazer um depósito temporário de aminoácidos nos quais parte deles será usada para gerar ATP e outra parte para compor as proteínas inclusive as que compõem os músculos Aliás os músculos acabam por funcionar como um depósito de proteínas que pode ser mobilizado caso haja a necessidade energética para isso Esse tipo de metabolismo proteico denominase oxidação dos aminoácidos A oxidação ocorre em todos os tecidos do organismo e iniciase com o processo de transaminação dos aminoácidos pela ação de enzimas chamadas de transaminases Este processo consiste na retirada do grupamento amino NH3 do aminoácido e formando um alfacetoácido p ex o piruvato o oxaloacetato são alfacetoácidos Esta amina é encaminhada para o ciclo da 62 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 4 ENSINO A DISTÂNCIA ureia e o alfacetoácido é encaminhado para o ciclo do ácido cítrico Figura 8 Figura 8 Comparação entre aminoácidos e seus alfacetoácidos correspondentes Fonte Silva 2002 A entrada do grupo amina no ciclo da ureia ocorre na forma de glutamato para os aminoácidos do tecido hepático e na forma de glutamina para os tecidos extrahepáticos O grupo amino é transformado em carbamil fosfato dentro da matriz mitocondrial veja passo 1Figura 9 e entra no ciclo da ureia como citrulina após se combinar com a ornitina A citrulina é transformada em argininosuccinato por adição de aspartato veja passo 2b Figura 9 Na sequência o argininosuccinato é transformado em arginina e fumarato pela ação da arginino succinato liase veja passo 3 Figura 9 A arginina é hidratada e convertida em ureia mais ornitina veja passo 4 Figura 9 O ciclo se reinicia na presença de nova molécula de carbamil fosfato Figura 9 Representação das reações que ocorrem no ciclo da ureia Fonte Nelson e Cox 2011 A importância do ciclo da ureia está no fato de excretamos os produtos nitrogenados em uma forma não tóxica para o organismo ou seja a ureia Basta lembrarmos que se amônia fosse a forma de eliminação de compostos nitrogenados ela seria altamente tóxica para o organismo se circulasse na corrente sanguínea Assim a ureia produzida pelo metabolismo hepático é filtrada nos rins e passa a formar a urina 63 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 4 ENSINO A DISTÂNCIA O ciclo da ureia pode ser regulado de forma rápida ou lenta A regulação rápida também é denominada de alostérica e acontece quando há acúmulo de arginina Este acúmulo de arginina por sua vez evidencia que o ciclo da ureia não está conseguindo eliminar toda a amônia produzida pela oxidação dos aminoácidos Portanto o excesso de arginina ativa a enzima Nacetilglutamato sintase que catalisará a formação do Nacetilglutamato produto da reação entre glutamato e CoA Na sequência o Nacetilglutamato ativa a enzima carbamilfosfato sintetase que fornecerá um dos substratos do ciclo da ureia Dessa forma a arginina vai ampliar a formação de ureia conforme a velocidade de formação de amônia Essas reações estão descritas na Figura 10 Figura 10 Regulação alostérica do ciclo da ureia Fonte Modificado de Nelson e Cox 2011 A regulação lenta do ciclo da ureia acontece mediante uma dieta com alto teor de proteína ou em jejum prolongado No caso da dieta com excesso de proteínas há oxidação dos aminoácidos Essa oxidação vai gerar os cetoácidos e os grupos aminos que resultam em um aumento na produção de ureia Já durante o jejum prolongado haverá a degradação das proteínas dos músculos isto é ocorrerá o consumo das proteínas endógenas pois as cadeias carbônicas desses aminoácidos podem ser utilizadas na gliconeogênese Nesse último caso como também há produção de grupos aminos estes seguirão para o ciclo de ureia Portanto seja mediante dieta hiperproteica ou durante o jejum prolongado ocorrerá um aumento da síntese de enzimas do ciclo da ureia Essa regulação do ciclo da ureia é de extrema importância para a manutenção da homeostase caso haja alguma disfunção nesse mecanismo a saúde do indivíduo terá consequências que podem ser graves Quando fazemos o uso exagerado de proteínas em nossa dieta por exemplo quando comemos um churrasco ocorre um aumento na quantidade de urina excretada devido a uma maior produção de ureia Por outro lado quando os rins param de fazer a filtração destes compostos nitrogenados que adquirimos da dieta passamos a ter um quadro de intoxicação que leva a uma diminuição do pH sanguíneo o que causa uma acidose sanguínea e pode terminar em coma e morte para o portador dessa deficiência o qual passará a ter necessidade de uma hemodiálise para a retirada destes produtos tóxicos Algumas transaminases hepáticas são dosadas para se ter uma relação do nível de comprometimento funcional do parênquima hepático 64 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 4 ENSINO A DISTÂNCIA RELAÇÃO ENTRE O CICLO DA UREIA E O CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO A relação entre os ciclos da ureia e do ácido cítrico ocorre em alguns pontos Uma primeira coincidência pode ser verificada no ciclo da ureia onde o fumarato que é resultado da ação da argininossuccinato liase é um intermediário do ciclo do ácido cítrico O fumarato adentra a mitocôndria onde a atividade conjunta da fumarase e da malato desidrogenase convertem o fumarato em oxaloacetato Lembrese que o oxaloacetato também é intermediário do ciclo do ácido cítrico Outro ponto coincidente aos dois ciclos é verificado no aspartato que atua como doador de nitrogênios na reação do ciclo da ureia catalisada pela argininossuccinato sintetase no citosol Figura 9 e pode ser formado no ciclo do ácido cítrico a partir do oxalatoacetato por transaminação com o glutamato O αcetoglutarato é o outro produto dessa transaminação e é também um intermediário do ciclo do ácido cítrico Assim as reações do ciclo da ureia e do ácido cítrico relacionamse e compõem a chamada bicicleta de Krebs como mostra a Figura 11 Figura 11 Representação da relação entre o ciclo do ácido cítrico e o ciclo da ureia Fonte LBPQ 2018 VIAS METABÓLICAS INTEGRADAS Desde a primeira unidade estudamos as biomoléculas e suas participações nas vias metabólicas A partir de agora vamos unir esses conhecimentos adquiridos para compreender o funcionamento do organismo de forma integrada Em princípio temos que refletir que cada tecido e por consequência cada órgão humano possui uma função específica que determina sua atividade metabólica Por exemplo o tecido adiposo armazena e mobiliza triacilgliceróis para serem utilizados como combustível celular ao passo que o fígado é o grande órgão transformador de substâncias ou seja processa modifica e distribui compostos para todo o organismo Inclusive esse desempenho do fígado é tão importante que pode ser verificado na denominação genérica dada indiscriminadamente aos tecidos que não compõem o fígado tecidos extrahepáticos Portanto vamos conduzir nossa discussão utilizando os termos tecido hepático e extra hepáticos DIGESTÃO E PROCESSAMENTO DOS NUTRIENTES Sabemos que a dieta humana é composta predominantemente por carboidratos lipídios e proteínas os quais sofre hidrólise e são convertidos em suas unidades simples os monômeros p ex monossacarídeos ácidos graxos e aminoácidos A partir de então as células epiteliais do intestino delgado absorvem esses nutrientes e enviam para a corrente sanguínea onde são distribuídos para o tecido hepático e para os extrahepáticos músculos tecido conjuntivo tecido adiposo tecido nervoso etc Considerando o tecido hepático os hepatócitos transformam esses nutrientes adquiridos pela dieta em precursores necessários a várias vias metabólicas Essa transformação dependerá dos níveis sanguíneos de cada nutriente e da demanda dos diversos 65 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 4 ENSINO A DISTÂNCIA tecidos pelos precursores sintetizados no fígado Com isso rotineiramente há uma sinalização hormonal que estimula ou inibe cada atividade do fígado Por exemplo quando a dieta é rica em carboidratos a insulina estimula a captação de glicose pelo hepatócitos e enzimas atuam no seu armazenamento na forma de glicogênio hepático Figura 12 Figura 12 Vias metabólicas para carboidratos no fígado e tecido extrahepático Fonte a autora Observe na Figura 12 que a dieta rica em carboidratos provoca elevação da taxa glicêmica Com isso os tecidos hepáticos e extrahepáticos captam essa glicose e podem utilizá la para a glicólise cujo produto deve seguir para o ciclo do ácido cítrico e fosforilação oxidativa No entanto se a concentração de glicose captada pelas células já supriu a demanda a glicólise deve ser inibida Assim a glicose6fosfato em grande concentração tem o potencial de inibir a hexocinase e dessa maneira a glicólise cessa nos tecidos extrahepáticos Do mesmo modo a elevação dos níveis de glicose6fosfato inibe a enzima glicoquinase do fígado que tem a função análoga a da hexocinase isto é fosforilar a glicose para produzir glicose6fosfato Ainda que parte da glicose seja consumida na glicólise há a necessidade de reduzir a taxa glicêmica a níveis normais Nesse caso a glicose em excesso deve ser armazenada e isso pode acontecer pela glicogênese ou pela síntese de lipídios No primeiro caso a glicose 6fosfato glicose 6P é isomerizada a glicose1 fosfato Glicose1P que é utilizada na glicogênese para formação do glicogênio hepático Também a glicose pode seguir na via glicolítica até a produção de acetilCoA que será destinada a produção de colesterol e ácidos graxos AG Figura 13 Figura 13 Vias metabólicas para carboidratos no fígado Fonte a autora 66 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 4 ENSINO A DISTÂNCIA Ainda existe mais uma alternativa quando as concentrações de glicose são elevadas é a produção de nucleotídeos por meio da chamada via das pentosesfosfato Na Figura 14 temos a exibição de todas as vias incluindo a representação da produção de nucleotídeos a partir da ribose 5fosfato ribose5P e NADPH ambos produzidos a partir do metabolismo da glicose 6fosfato Figura 14 Vias metabólicas para carboidratos no fígado Fonte a autora Imaginemos agora uma dieta rica em proteínas Os aminoácidos que entram nos hepatócitos atuam como precursores para a síntese de proteínas do fígado e das proteínas tissulares dos tecidos extrahepáticos Também o fígado é responsável pela síntese de várias proteínas plasmáticas Aqueles aminoácidos não necessários ao fígado perdem o grupo amino NH3 e são degradados para constituir acetilCoA O grupo amino segue para o ciclo da ureia enquanto o acetilCoA pode ser oxidado no ciclo no ácido cítrico para produção de ATP ou pode ser utilizado na síntese de lipídios colesterol e ácidos graxos Essas reações estão representadas na Figura 15 Figura 15 Vias metabólicas para proteínas no fígado Fonte a autora 67 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 4 ENSINO A DISTÂNCIA Por fim vamos refletir o que acontece nas vias metabólicas quando a dieta é rica em lipídios Os ácidos graxos oriundos da digestão dos triacilgliceróis são convertidos em lipídios hepáticos e podem permanecer como um depósito a ser mobilizado conforme a necessidade do organismo através da betaoxidação Os ácidos graxos podem ainda ser degradados a acetilCoA que seguirá para o ciclo do ácido cítrico para produção de ATP Parte do acetilCoA proveniente da oxidação dos ácidos graxos é usada para a síntese de colesterol que por sua vez é precursor de hormônios esteroides p ex estrogênio e testosterona e cortisol Outra via desse metabolismo de ácidos graxos corresponde ao seu armazenamento na forma de triacilgliceróis nos adipócitos Lembrese que os triacilgliceróis são moléculas formadas a partir de glicerol ácidos graxos Caso a taxa glicêmica esteja muito baixa o betaoxidação ocorrerá para suprir a demanda energética dos tecidos Além disso as baixas concentrações de glicose sanguínea levam a produção dos corpos cetônicos como vimos anteriormente Em síntese os corpos cetônicos podem atuar como compostos emergenciais na produção de ATP Essas reações descritas estão representadas na Figura 16 Figura 16 Vias metabólicas para carboidratos no fígado Fonte a autora Em diabéticos não tratados a insulina não é produzida ou não é reconhecida pelas células sendo assim a glicose não adentra a célula e não pode ser utilizada como combustível para produção de ATP Nessa condição quando há excesso de glicose sanguínea os rins trabalham para excretar esse carboidrato intacto através da urina Os tecidos portanto são obrigados a utilizar os ácidos graxos para produção de ATP e com isso há geração de corpos cetônicos Além disso há degradação de proteínas pois o metabolismo proteico é estimulado a fim de suprir a via gliconeogênica com aminoácidos glicogênicos Considerando todos esses efeitos adversos no metabolismo as consequências para o indivíduo são perda muscular e cetoacidose 68 WWWUNINGABR BIOQUÍMICA UNIDADE 4 ENSINO A DISTÂNCIA CONSIDERAÇÕES FINAIS Chegamos ao fim do nosso estudo e esperamos que você tenha tirado o maior proveito possível de todo esse conteúdo Tenha em mente que a bioquímica busca compreender as vias metabólicas a fim de gerar conhecimentos que subsidiem terapias medicamentosas Pode também contribuir para uma mudança de rotina no indivíduo a fim de proporcionar uma melhora na sua qualidade de vida Contudo a compreensão desses aspectos em qualquer curso da área da saúde tem como especial intuito servir como base para conhecimento aplicados nas diversas rotinas de trabalho Por isso estude faça as atividades fóruns e estudos de caso e perceba a aplicação desse conhecimento para a sua prática profissional 69 WWWUNINGABR ENSINO A DISTÂNCIA REFERÊNCIAS BIOMUNDO 2013 Respiração celular Modificado de httpfatossobreabiologiablogspot combr201409 Acesso em 05 jan 2018 BLANCO 2016 Fórmulas de projeção do gliceraldeído e dihidroxicetona Modificado de httpseswikipediaorgwikiProteC3ADnasycarbohidratosdemembrana Acesso em 05 dez 2017 CÚNEO R G 2006 Formação das ligações peptídicas Disponível em httpwwwwikiwand comptLigaC3A7C3A3opeptC3ADdica Acesso em 05 dez 2017 DREWS L 2011 Mosaico fluido Disponível em httpdocplayerorg60442464Biologiefuer diesekundarstufeiifachoberschulefachgymnasiumgymnasiumhtml Acesso em dezembro de 2017 FADUART 2005 Membrana plasmática Disponível em httpsuploadwikimediaorg wikipediacommonscc1MembranaplasmC3A1ticajpg Acesso em 05 jan 2018 FARIAS E S et al Perfil dos ácidos graxos do óleo da semente de andiroba Carapa guianensis aublet de Roraima por cromatografia gasosa CG 52º Congresso Brasileiro de Química Anais 2012 Disponível em httpwwwabqorgbrcbq2012trabalhos474112796html Acesso em 05 jan 2018 GOOGLE SITES 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