Apostila de Bioquímica PDF

 

BIOQUÍMICA Fabiola Regina Stevan João Armando Brancher Tatiana Herrerias

 

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Prof. Paulo Arns da Cunha Prof. José Pio Martins Prof. Carlos Longo Prof. Renato Dutra Profa. Manoela Pierina Tagliaferro Profa. Fabiola Regina Stevan Prof. João Armando Brancher Profa. Tatiana Herrerias Aline Scaliante Coelho Livia Maria Andaló Tenuta Francine Ozaki e Regiane Rosa Valdir de Oliveira

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Ícones Afirmação Assista

Curiosidade

Dica

Biografia Esclarecimento Conceito Contexto

Exemplo

 

Sumário Apresentaçãoo ......................... Apresentaçã .................................................. .................................................. .................................................. ....................................... .............. 13 Os auto autores res....................... ................................................ .................................................. .................................................. ............................................... ...................... 14 Capítulo 1 Mecanismos de homeostasia celular .............................................................................. 17 1.1 pH e tampõe tampõess ........................ ................................................. .................................................. .................................................. .................................. ......... 18 1.1.1 A importância do H+  ...............................................................................................................................................19 1.1.2 Escala de pH ............................................................................................................................................................19 1.1.3 pKa  ..........................................................................................................................................................................20 1.1. 1.4 Soluç Soluções ões tampões ................. .................................... ...................................... ..................................... ..................................... ...................................... ...................................... ................................... ................ 21

1.2 Equi Equilíbrio líbrio ácido-b ácido-básic ásicoo ...................... ............................................... .................................................. ............................................... ......................23 1.2..1 Sistemas tampão do sangue humano.................. 1.2 .................................... ..................................... ...................................... ...................................... ..................................... .......................24 .....24 1.2.2 Controle pulmonar do equilíbrio ácido-base ........................................................................................................25 1.2.3 1.2 .3 Controle Controle renal renal do equilíbrio equilíbrio ácido-base ácido-base.................. .................................... ..................................... ...................................... ...................................... ...................................... ................... 26

1.3 Distúrbi Distúrbios os do equi equilíbrio líbrio ácido-b ácido-base ase ...................... ............................................... .................................................. ............................. 29 1.3.1 Acidose metabólica ................................................................................................................................................31 1.3.2 Acidose respiratória ................................................................................................................................................31 1.3.3 1.3 .3 Alcalose metabólica ................. ................................... ..................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ................................ ............. 32 1.3.4 1.3 .4 Alcalose respira respiratória tória ................. ................................... ..................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ................................ ............. 33

1.4 Bioen Bioenergé ergética tica ........................ ................................................. .................................................. .................................................. ................................... .......... 33 1.4.1 Introdução ao metabolismo...................................................................................................................................34 1.4.2 4.2 Princípio Princípio geral da da bioenergética bioenergética ................. .................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ................................ ............. 34 1.4.3 4.3 Energia Energia livre livre de Gibbs Gibbs (∆G) (∆G)................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ...................................... ...................................... ................... 35 1.4.4 4.4 Moléculas Moléculas transportadoras transportadoras de energia energia ................. ................................... ..................................... ...................................... ...................................... ..................................... ...................... .... 37

Referência Referê nciass ......................... .................................................. .................................................. .................................................. ........................................... ..................40

 

Capítulo 2 Proteínas e enzimas........................ enzimas................................................. .................................................. .................................................. ............................... ...... 41 2.1 Aminoácidos, peptídeos e proteínas ......................................................................... 41 2.1.1 Classificação de aminoácidos .................................................................................................................................44 2.1.2 1.2 Comportamento Comportamento dos aminoácidos aminoácidos em soluções aquosas................... ...................................... ..................................... ..................................... ............................. .......... 46 2.1.3 Ligação peptídica ...................................................................................................................................................48 2.1. 1.4 Classificaçã Classificaçãoo de proteí proteínas nas .................. ..................................... ..................................... ..................................... ...................................... ...................................... ..................................... ...................... .... 49

2.2 Estrutura de prot proteína eínass ............................................ ..................................................................... .................................................. ........................... 51 2.2.1 Estrutura primária ..................................................................................................................................................51 2.2.2 Estrutura secundári secundáriaa .................. ..................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ...................................... ............................. .......... 52 2.2.3 Estrutura terci terciária ária e quate quaternária rnária ................... ...................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ............................. .......... 53 2.2.4 Desnaturação .........................................................................................................................................................54

2.3 Enzim Enzimas as ........................ ................................................. .................................................. .................................................. ........................................... ..................54 2.3.1 Funções Funções e características das enzimas enzimas ................ ................................... ...................................... ...................................... ...................................... ..................................... ...................... .... 55 2.3.2 Mecanismos da catálise enzimática ......................................................................................................................56 2.3.3 Enzimas regula regulatórias tórias ................... ..................................... ..................................... ...................................... ...................................... ...................................... ..................................... ............................ .......... 58 2.3.4 Uso das enzimas na clínica ....................................................................................................................................60

2.44 Cinéti 2. Cinética ca enzim enzimática ática ....................... ................................................ .................................................. ................................................. ............................ 61 2.4.1 pH e temperatura ...................................................................................................................................................61 2.4.2 2.4 .2 Concen Concentração tração de substrato substrato................... ...................................... ..................................... ..................................... ...................................... ...................................... ...................................... ................... 62 2.4.3 Inibição Enzimática ...............................................................................................................................................64

Referência Referê nciass ......................... .................................................. .................................................. .................................................. ........................................... ..................66

 

Capítulo 3 Carboidrat Carboi dratos os e gli glicól cólise ise..................................................... .............................................................................. ............................................... ......................67 3.1 Monossa Monossacarídeo carídeoss ....................... ................................................ .................................................. .................................................. .............................. ..... 67 3.1.1 Estrutura química ...................................................................................................................................................68 3.1.2 1.2 Funções Funções dos monossaca monossacarídeos rídeos ................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ...................................... ................................ ............. 71 3.1.3 1.3 Ciclização .................. .................................... ..................................... ...................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ............................. .......... 71

3.22 Oligo 3. Oligossaca ssacarídeos rídeos e polis polissacaríd sacarídeos eos..................................... .............................................................. ....................................... .............. 75 3.2.1 Formação Formação da ligação glicos glicosídica ídica ................. .................................... ..................................... ..................................... ...................................... ...................................... ................................ ............. 75 3.2.2 Oligossacarídeos Oligossacarídeos de interesse interesse humano humano ................... ..................................... ..................................... ...................................... ...................................... ...................................... ....................76 .76 3.2.3 Classificação dos polissacarídeos ..........................................................................................................................77 3.2.4 Polissacarídeos Polissacarídeos de interesse interesse para a área de saúde saúde ................. .................................... ...................................... ...................................... ...................................... ......................... 78

3.3 Via gli glicol colítica ítica ......................... .................................................. .................................................. .................................................. .................................. ......... 79 3.3.1 Importância da via glicolítica .................................................................................................................................80 3.3.2 A via glicolítica ......................................................................................................................................................80 3.3.3 Regulação da via glicolítica ...................................................................................................................................85 3.3.4 3.3 .4 Entrada Entrada de outros monossacarí monossacarídeos deos na via glicolítica glicolítica .................. .................................... ..................................... ...................................... ................................... ................ 87

3.44 Fermen 3. Fermentação tação..................... .............................................. .................................................. .................................................. ....................................... ..............89 3.4.1 Destinos do piruvato ..............................................................................................................................................89 3.4.2 Fermentação alcoólica ...........................................................................................................................................89 3.4.3 Fermentação acética .............................................................................................................................................90 3.4.4 Fermentação lática ................................................................................................................................................90

Referência Referê nciass ......................... .................................................. .................................................. .................................................. ........................................... .................. 92

 

Capítulo 4 Respiração Respi ração cel celula ularr ....................... ................................................ .................................................. .................................................. ................................... .......... 93 4.1 Primeiro estágio da respiração celular ....................................................................... 94 4.1.1 Formação do acetil-CoA .........................................................................................................................................94 4.1.2 Regulação da piruvato desidrogenase ...................................................................................................................96

4.2 Segundo estágio da respiração celular ...................................................................... 97 4.2.1 O ciclo do ácido ácido cítrico................ ................................... ...................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ............................. .......... 97 4.2.2 Regulação do ciclo do ácido cítrico ......................................................................................................................102 4.2.3 Reações anapleróticas .........................................................................................................................................104 4.2.4 Papel Papel anabólic anabólicoo do ciclo ................. ................................... ..................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ........................ ..... 105

4.3 Fosforil Fosforilação ação oxid oxidativa ativa.......................................................... .................................................................................. .................................... ............106 4.3.1 Cadeia respiratóri respiratóriaa e ATP ATP sintase ................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ...................................... ........................... ........ 10 1077 4.3.22 Transferência 4.3. Transferência de elétrons do Compl Complexo exo I ao Complexo IV .................. ..................................... ..................................... ..................................... ............................ .........1111 4.3.33 Transferência 4.3. Transferência de elétrons do Compl Complexo exo II ao Complex Complexoo IV ............................................. .......................... ...................................... ..................................... ..................1112 4.3.4 Teoria quimiosmótica ...........................................................................................................................................113

4.4 Rendimento energético ........................................................................................... 115 4.4.1 Número de ATPs ...................................................................................................................................................115 4.4.2 Lançadeira malato-aspartato ...............................................................................................................................116 4.4.3 4. 4.3 Lançadeira Lançadeira glicerol-fosfato glicerol-fosfato................... ...................................... ..................................... ..................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................1117

Referência Referê nciass ......................... .................................................. .................................................. .................................................. ......................................... ................ 119 Capítulo 5 Metabolis Metabo lismo mo de carboi carboidrat dratos os ......................... .................................................. .................................................. ..................................... ............ 121 5.1 Gli Gliconeo coneogênese. gênese.......................... .................................................. .................................................. .................................................. ............................ ... 121 5.1. 1.1 Formação de glic glicose ose a partir de outras fontes.................. ..................................... ..................................... ..................................... ...................................... ............................121 .........121 5.1.2 1.2 A via via gliconeogên gliconeogênica ica ................ ................................... ...................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... .............................. ........... 122 5.1.3 Regulação da gliconeogênese ..............................................................................................................................128 5.1. 1.4 Ciclo de Cori ................. ................................... ..................................... ...................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ........................ ..... 12 1299

 

5.22 Glic Glicogênes ogênesee ...................... ............................................... .................................................. .................................................. ..................................... ............ 131 5. 5.2.1 Formação do nucleotídeo-açúcar.........................................................................................................................132 5.2.2 Formação da ligação α(1→4) .............................................................................................................................133 5.2.3 Formação da ligação α(1→6) .............................................................................................................................135

5.33 Glic 5. Glicogenó ogenólise lise ......................... .................................................. .................................................. .................................................. ................................ ....... 136 5.3..1 Atividade 5.3 Atividade da glicogênio glicogênio fosforilase fosforilase................ ................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ........................... ........ 13 1366 5.3.2 Atividade da transglicosilase ................................................................................................................................137 5.3.3 Atividade da α(1→6) glico glicosidase sidase................. .................................... ...................................... ..................................... ..................................... ...................................... ........................... ........ 13 1388 5.3.4 Ação da fosfoglicomutase ....................................................................................................................................139

5.4 Regulação do metabolismo do glicogênio .............................................................. 139 5.4. 5. 4.1 Regulação da glicogênio sintase................. .................................... ...................................... ..................................... ..................................... ...................................... ...............................139 ............139 5.4.2 Regulação da glicogênio fosforilase ....................................................................................................................140 5.4.3 5. 4.3 Regulação recíproca da síntese e degradação do glicogê glicogênio nio................. .................................... ..................................... ..................................... .........................14 ......1411 5.4. 5. 4.44 Doenças relacionadas ao metabolismo metabolismo do glicog glicogênio ênio .......................................... ........................ ..................................... ...................................... ............................141 .........141

Referência Referê nciass ......................... .................................................. .................................................. .................................................. ......................................... ................144 Capítulo 6 Lipídeos Lipíd eos e lipo lipoprot proteína eínass ...................... ............................................... .................................................. ................................................. ........................145 145

6.1 de .......................................................................................................................................................146 armazenamento ................................................................................... 6.1.1 Lipídeos Ácidos graxos 6.1.2 Classificação dos ácidos graxos ............................................................................................................................147 6.1.3 1.3 Triacilg Triacilglicer liceróis óis.................. ..................................... ...................................... ..................................... ..................................... ...................................... ...................................... ..................................... .....................14 ...1499

6.2 Lipíd Lipídeos eos estruturais e funcion funcionais ais........................ ................................................. .................................................. ............................ ... 150 6.2.1 Fosfolipídeos................... ...................................... ..................................... ..................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ....................... 15 1500 6.2.2 Glicolipídeos .........................................................................................................................................................152 6.2.3 Esteroides ................. ................................... ..................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ...................................... ........................... ........ 15 1533 6.2.44 Colester 6.2. Colesterol ol.................. .................................... ..................................... ...................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ........................... ........ 154

 

Lipoprote roteínas ínas......................... .................................................. .................................................. .................................................. ................................ ....... 156 6.3 Lipop 6.3.1 Estrutura Estrutura de de lipoprot lipoproteínas eínas ................. ................................... ..................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ....................... 15 1566 6.3.2 Apoprot Apoproteínas eínas .................. ..................................... ...................................... ..................................... ..................................... ...................................... ...................................... ..................................... ...................... 15 1588

6.4 Metabolismo de lipoproteínas ................................................................................. 158 6.4..1 Digestão de lipídeos e formação de quilo 6.4 quilomícron mícron................ ................................... ...................................... ...................................... ..................................... ........................15 ......1599 6.4.2 Formação do VLDL ...............................................................................................................................................161 6.4.3 6.4 .3 LDL e HDL ................. .................................... ..................................... ..................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ........................... ........ 16 1622 6.4.4 Aterogênese Aterogêne se................. ................................... ..................................... ...................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ........................ ..... 16 1655

Referência Referê nciass ......................... .................................................. .................................................. .................................................. ......................................... ................168 Capítulo 7 169 9 Metabolismo de lipídeos e proteínas ............................................................................ 16 169 9 7.1 Lipólise ..................................................................................................................... 16

7.1. 1.1 Mobiliza Mobilização ção dos triacilgliceróis triacilgliceróis do tecido adiposo ............................ ......... ..................................... ..................................... ...................................... ...............................170 ............170 7.1.2 1.2 β-oxidação dos ácidos graxos .................. ..................................... ..................................... ..................................... ...................................... ...................................... ..................................172 ...............172 7.1.3 1.3 Regulação Regulação da lipólise................ ................................... ...................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ............................... ............17 1766 7.1.4 Cetogênese ............................................................................................................................................................176

7.2 Lipogê Lipogênese nese ........................ ................................................. .................................................. ................................................. .................................... ............ 179 7.2.1 Anabolismo dos ácidos ácid os graxos................. graxos .................................... ...................................... ..................................... ..................................... ...................................... ................................. .............. 180 7.2.2 Síntese Síntese dos triacilgl triacilglicerói iceróiss .................. .................................... ..................................... ...................................... ...................................... ...................................... ..................................... ...................... 186 7.2.3 Regula Regulação ção da lipogênese................... ..................................... ..................................... ...................................... ...................................... ...................................... ..................................... ...................... 188 7.2. .2.44 Síntese Síntese do colesterol colesterol ................ ................................... ...................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... .............................. ........... 18 1899

7.3 Metabolismo de aminoácidos ................................................................................. 191 7.3.1 Digestão e absorção de proteínas proteínas .................. ..................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ............................191 .........191 7.3.2 Oxidação Oxidação de aminoácidos.................. .................................... ..................................... ...................................... ...................................... ...................................... ..................................... .....................19 ...1911 7.3.3 Ciclo de glicose-alanina ........................................................................................................................................193 7.3. .3.44 Síntese Síntese de aminoáci aminoácidos dos ................. .................................... ...................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ........................ ..... 19 1955

 

7.4 Destino do grupo amino .......................................................................................... 197 7.4 .4..1 Ciclo Ciclo da ureia ureia ................... ...................................... ..................................... ..................................... ...................................... ...................................... ...................................... ..................................... ...................... 19 1988 7.4.2 Regulação do ciclo da ureia .................................................................................................................................200

Referência Referê nciass ......................... .................................................. .................................................. .................................................. ......................................... ................20 201 1 Capítulo 8 Mecanismo de ação hormonal e inter-relação metabólica .......................................... 203 8.1 Mecanismo de ação hormonal ................................................................................ 203 8.1. 1.1 Mecanismo de ação dos hormônios esteroides e tireoideanos................. .................................... ...................................... ..................................... ...................... 204 8.1.2 1.2 Mecanismo Mecanismo de ação de hormônios peptídicos peptídicos que utilizam segundos mensageiros mensageiros.................. .................................... ....................... ..... 206 8.1.3 1.3 Mecanismo Mecanismo de ação do receptor tirosina quinase quinase ..................................................... .................................. ...................................... ..................................... ........................21 ......2100 8.1. 1.4 Controle por retroalim retroalimentação entação................. .................................... ...................................... ..................................... ..................................... ...................................... .................................. ...............21 2122 213 3 8.2 Bioqu Bioquímica ímica do estado alalimenta imentado do ...................................................................... .......................................................................... .... 21

8.2.1 Fígado ...................................................................................................................................................................214 8.2.2 Músculo ................................................................................................................................................................214 8.2.3 Tecido adiposo .....................................................................................................................................................215 8.2.4 Obesidade .............................................................................................................................................................216

8.3 Bioq Bioquímica uímica do jej jejum um ......................... .................................................. .................................................. ............................................. .................... 21 218 8 8.3.1 Jejum inicial ..........................................................................................................................................................219 8.3.2 Jejum prolongado ...............................................................................................................................................220

8.44 Dieta, câncer 8. c âncer e diabetes mellitus ......................... .................................................. .................................................. ............................ ...223 8.4.1 Dieta .....................................................................................................................................................................223 8.4.2 8.4 .2 Bioquí Bioquímica mica do câncer ................. .................................... ...................................... ...................................... ..................................... ..................................... ...................................... ........................... ........ 224 8.4.3 Diabetes mellitus  ..................................................................................................................................................225

Referência Referê nciass ......................... .................................................. .................................................. .................................................. ......................................... ................226

 

Apresentação

A Bioquímica é uma ciência fascinante. Ela é ministrada a todos os cursos da área da saúde, pois proporciona ao estudante uma visão geral do metabolismo celular. Seu principal propósito é descrever as estruturas, os mecanismos e as reações químicas celulares em nível molecular. O conhecimento bioquímico serve de base para o aprendizado de diversas outras áreas do conhecimento, como a siologia, a patologia, a farmacologia, a genética e várias outras. As principais ferramentas da Bioquímica são as biomoléculas, compostos orgânicos presentes como componentes essenciais dos organismos vivos. Assim, ao longo deste livro, vamos estudar as três grandes classes de biomoléculas: as proteínas, os lipídios e os carboidratos. Veremos os principais aspectos bioquímicos relacionados às suas estruturas, conheceremos suas unidades formadoras e as reações metabólicas de síntese e degradação dessas biomoléculas. Por m, estudaremos as altealte rações bioquímicas ocasionadas durante o estado de jejum, na obesidade, no câncer e no diabetes mellitus. Após concluir seus estudos, esperamos que você entenda melhor o que é a Bioquímica e como ela está presente no seu dia a dia. Boa leitura!

 

Os autores A Professora F R S  é Mestre e Doutora em Ciências (Bioquímica) pela Universidade Federal do Paraná (UFPR) e possui graduação em Ciências Biológicas pela mesma instituição. Atualmente, é professora titular da Universidade Positivo, ministrando as disciplinas de Bioquímica, Biofísica e Fisiologia Humana. Tem experiência na área de Bioquímica, atuando principalmente nos seguintes temas: química de carboidratos, enzimologia e atividade biológica de princípios bioativos de plantas medicinais. Currículo Lattes:

 Aos meus f ilhos quer queridos, idos, Felip Felipee e Camila Camila,, me us filhos que são a luz da minha vida. Ao meu amado Rodrigo Heitor, pela paciência, companheirismo e brincadeiras, sem os quais teria sido muito difícil esta caminhada.

 

A Professora T H é Mestre e Doutora em Ciências: Bioquímica pela Universidade Federal do Paraná (UFPR) e possui graduação em Farmácia pela mesma instituição. É docente na área de Bioquímica Geral e Clínica para diversos cursos da área de saúde e pesquisadora na área de Bioquímica Farmacológica na Universidade Positivo. Currículo Lattes:

 

O Professor J A B  é Doutor em Ciências da Saúde pela PUC/PR, Mestre em Bioquímica pela UFPR e Graduado em Odontologia pela PUC/PR. Atua como professor universitário desde 2001. Currículo Lattes:

 Aos estudantes es tudantes,, estímulo es tímulo maio maiorr para p ara a busca contínua pelo aprendizado por  parte  par te de nós, prof professor essores. es.

 

celula ularr 1 Mecanismos de homeostasia cel A Bioquímica é a ciência que relaciona o estudo das diversas moléculas presentes nas células e nos organismos vivos com as suas respectivas reações químicas. Dessa forma, busca explicações para a interação que ocorre entre essas moléculas e como essa interação contribui para a manutenção da vida. Ela está associada a todas as formas de vida, desde vírus e bactérias até os seres humanos. Em todas as espécies, a saúde depende de um equilíbrio harmonioso das reações bioquímicas que ocorrem no organismo, pois várias doenças ocorrem por anormalidades nessas reações ou em biomoléculas. Assim, um conhecimento adequado da Bioquímica e de outras disciplinas básicas correlatas é essencial para todos os cursos da área da saúde. Para iniciarmos o entendimento da Bioquímica, a definição de homeostasia é importante. A homeostasia é a capacidade que o organismo possui de manter o equilíbrio dinâmico, ou seja, o funcionamento correto do metabolismo. Quando falamos em homeostasia celular, é necessário compreender que o funcionamento da célula está relacionado a suas reações químicas e todas elas ocorrem no meio aquoso. Se determinada reação não ocorre, o funcionamento celular é modificado e dependendo da reação que for interrompida, pode provocar a morte celular. Por isso, algumas propriedades físicas da água (por exemplo, o ponto de fusão, de ebulição e de calor de vaporização altos) ajudam a manter esse solvente no estado líquido, na temperatura ambiente, o que permite mais interação entre a água e os solutos. Além disso, a capacidade da água de interagir por ligação de hidrogênio e interação eletrostática complementa as qualidades que facilitam a ocorrência das reações químicas. Apesar de muitas propriedades do solvente serem explicadas pela molécula de água, não carregada, o pequeno grau de ionização também é importante. As moléculas de água apresentam a tendência de se ionizarem levemente, produzindo íons hidrogênio e um íon hidróxido, gerando o equilíbrio, como mostra a reação a seguir: H 2O

H+ + OH OH–

O grau de ionização da água no equilíbrio é de duas moléculas de água ionizadas para cada 109 moléculas sem ionização, na temperatura de 25ºC. No entanto, o fato de esta situação acontecer faz com que a concentração de H+ livres seja um parâmetro importante para ser acompanhado. A concentração de H+ livres é referida como pH da solução. A partir dessas informações, este capítulo focará nos mecanismos de homeostasia celular, explicando como o pH é controlado na célula e a importância de sua manutenção. Além disso, vamos abordar as soluções tampão, o equilíbrio ácido-básico, os distúrbios do equilíbrio ácido-básico e a bioenergética. O próximo tópico tratará dos conceitos de pH e tampões.

 

BIOQUÍMICA

 

18

1.1 pH e tampões Para iniciar nossos estudos, precisamos primeiramente compreender o que é o pH de uma solução e como ele influencia nas reações químicas e na estrutura celular e do organismo. Desta forma, pH é o termo utilizado para definir potencial de hidrogênio, ou seja, a concentração de H+ livre na solução e é obtido pela conversão matemática mostrada a seguir: 1 pH = log +  – log [H+] [H ] Para manter o pH dos compartimentos do organismo, é necessário que o meio aquoso possua um ou mais tampões. Os tampões são soluções que possuem um ácido fraco e sua base conjugada em proporções definidas e, por isso, conseguem manter o pH com poucas variações. Para entender melhor esse conceito, podemos iniciar analisando a constante de equilíbrio da água:

[H+][OH –] Keq = [H 2O]

Conforme a fórmula, podemos perceber que a constante de equilíbrio da água (Keq ) é calculada pela multiplicação das concentrações de H +  e de OH –. O resultado, então, é dividido pela concentração do total de moléculas de H 2O, ou seja, de água. Considerando-se a água pura, sua concentração corresponde a 55,5 molar (M), o que equivale a (1000 g/L) / (18,015 g/mol). Tendo em vista a pequena taxa de ionização da água, o valor de 55,5 M pode ser substituído na expressão da constante de equilíbrio: Keq = [H +][OH –] [55,5] Ao fazer esse rearranjo, temos: [55,5 M][Keq ] = [H+][OH –] = Kw Portanto, Kw  corresponde ao produto iônico da água a 25ºC e essa constante é a base para a escala de pH. Kw terá um valor final de 10 –14 ; ou seja, a concentração de H+ multiplicada pela de OH –  é 10 –14. Nessa condição, a concentração de H+ e a concentração de OH – são iguais a 10 –7  M, o que resulta em um pH = 7, pois, para uma solução –7

aquosa com concentração de 1 × 10  M, o pH é calculado da seguinte forma: 1 pH = log  = 7,0 [1 × 10 –7 ]

 

BIOQUÍMICA

 

19

Perceba que a concentração de H+ é expressa em molar (M) e que o cálculo equivalente para a concentração de OH – resulta na expressão do pOH.

1.1.1 A importância do H+ A concentração de H + pode interferir diretamente na ionização das moléculas, incluindo as proteínas. Essa diferença na ionização pode afetar a função das moléculas na célula, no sangue e em diversas outras partes do corpo. Por isso, o controle da concentração de H+, ou seja, do pH, é fundamental para assegurar a estabilidade das moléculas, possibilitar que as reações químicas aconteçam e manter a atividade enzimática, além de algumas atividades biológicas, como a atividade cardíaca, a atividade pulmonar, a do sistema nervoso e a de todos os tecidos. Portanto, é necessária a existência de tampões, ou seja, sistemas de ácidos e bases que possam liberar e segurar prótons, evitando variações bruscas de pH (NELSON; COX, 2014). Devemos lembrar que, como descrito por Brönsted-Lowry, ácido é todo composto que libera prótons, e base é qualquer substância que se liga ao próton. Um doador de prótons e seu correspondente aceptor formam um par ácido-base conjugado  conjugado  (NELSON; COX, 2014). Analise o exemplo a seguir: HA

H+ + A –

É importante lembrar de que HA é a molécula do ácido; H + é o próton liberado; e A – é a base conjugada liberada depois da dissociação do ácido. Porém, é muito importante atentar para o fato de que “a acidez é exercida pelo íon H +, e não pela molécula do ácido” (HENEINE, 2010, p. 140). Em relação à classificação dos ácidos, eles são categorizados em fortes e fracos. Os ácidos fortes são aqueles que liberam totalmente o H + que está em sua estrutura. Portanto, a presença de um ácido forte em uma solução altera muito o pH. Já ácidos fracos liberam parcialmente o H+ e, por isso, o efeito do ácido se manifesta fracamente na solução aquosa. Os ácidos fracos também funcionam como tampões. Essa questão será explorada melhor a seguir.

1.1.2 Escala de pH Considerando o Kw da água, entre as concentrações de 1 M de H + e 1 M de OH –, o pH constitui uma forma de determinar a concentração de H+ e também de OH – livres na solução aquosa por meio de uma escala, considerando a relação: pH + pOH = 14 Dessa forma, seguindo cálculos semelhantes, pode-se calcular a concentração de H+ nas mais variadas soluções e atribuir um valor que varia de 0 até 14, como mostra a tabela a seguir.

 

BIOQUÍMICA

 

20

Tabela de Escala de pH [H +] (M)

pH

[OH–] (M)

pOH

10 0 (  (11)

0

10–14

14

10 –1

1

10 –13

13

–2

–12

10 10 –3

2 3

10 10 –11

12 11

10 –4

4

10 –10

10

10 –5

5

10 –9

9

10 –6

6

10 –8

8

10 –7

7

10 –7

7

10 –8

8

10–6

6

10 –9

9

10 –5

5

10–10

10

10–4

4

–11

–3

10 10 –12

11 12

10 10–2

3 2

10–13

13

10–1

1

10 –14

14

100 (1  (1)

0

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 60. (Adaptado).

Observe que a última coluna da tabela apresenta o pOH. Esse índice é utilizado para determinar a alcalinidade da solução, sendo que a expressão pOH = – log [OH –] é semelhante à expressão do pH. Perceba também que os valores de pH apresentam relação direta com as concentrações de H + de uma solução aquosa e, portanto, não são aleatórios. É importante observar que a escala de pH é expressa em logaritmo e que a variação de uma unidade equivale a uma diferença na concentração de H + de aproximadamente dez vezes.

1.1.3 pKa O grau de modificação ocasionado pela solução aquosa é uma característica de cada ácido ou base fracos, fracos, sendo expresso pela constante de equilíbrio, da mesma forma que a equação de equilíbrio da água: [H +][A –] Keq = = Ka [HA] Ácidos fracos são aqueles compostos que liberam apenas parte dos hidrogênios que estão em sua estrutura, ou seja, dissociam-se pouco. Bases fracas são as que recebem pouco H +.

 

BIOQUÍMICA

 

21

A força relativa de um ácido é expressa pela seguinte equação: pKa= log 1 = – log Ka Ka

Essa expressão mostra que, quanto mais forte o ácido, maior será o valor de Ka  e menor é seu valor de pK . Por outro lado, quanto mais fraco o ácido, maior o valor de pK . a

a

O valor de pKa corresponde ao valor de pH quando a concentração de ácido e de base conjugada está exatamente igual. Isso é importante para determinar a região de variação do pH de uma solução, a chamada região de tamponamento. Ela vai de 1,0 ponto acima até 1,0 ponto abaixo do valor de pK a do ácido. Em termos práticos, uma solução ácido-base dentro dessa região de tamponamento protege a solução contra variações drásticas de pH.

1.1.4 Soluções tampões A solução tampão é formada por um ácido fraco e sua base conjugada. Além disso, quando está em sistema aquoso, essa solução tende a resistir a pequenas adições de ácido ou base, mantendo o pH mais estável. Um exemplo é o sistema tampão fosfato, que para a ionização do ácido H 2PO4 – na base conjugada HPO 42– , apresenta um pKa de 6,86, o que significa que esse tampão controla controla o pH desde 7,86 até 5,86, ou seja, de 1,0 ponto acima até 1,0 ponto abaixo do pK a, conforme indicado anteriormente. A análise da curva de titulação de uma solução tampão mostra que, se o pH da solução estiver dentro dessa faixa, pequenas adições de H+ ou OH – têm pouco efeito sobre o pH em relação ao que acontece com a adição da mesma quantidade fora dessa zona. A figura a seguir apresenta a curva de titulação de uma solução tampão. Perceba que ela tem um local relativamente plano. Essa é a região de tamponamento, que resulta do equilíbrio entre duas reações reversíveis e ocorre em uma solução com proporções que variam de 1:10 até 10:1 do doador e do aceptor de prótons.

 

BIOQUÍMICA

 

22

Curva de titulação da solução tampão acetato 9

CH3COO–

8 7

pH

[CH3COOH] = [CH3COO–]

6

pH 5,76

5

Região de tamponamento

4

pH 3,76

pH = pKa = 4,76

3 2

CH3COOH

1 0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 OH– adicionado (equivalentes) 0

50

100%

Percentagem titulada

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 62. (Adaptado).

O gráco anterior explica como uma solução tampão funciona: quando o pH tende a baixar, devido à produção excessiva de ácido, a base segura prótons, ocasionando uma alteração mínima no pH; da mesma forma, quando o pH tende a subir, devido à eliminação excessiva de H+, o ácido libera prótons para baixar o pH, também ocasionando uma alteração mínima. É importante verificar que, para cada ácido (HA) e sua base conjugada (A –), existe um pKa diferente e, por consequência, uma região na qual esse tampão é efetivo. Além disso, se um possui mais domostrado que um hidrogênio apresenta umácido pKa diferente, como na tabela a ionizável, seguir. cada forma química

pKa para alguns tipos de ácidos e suas bases conjugadas Ácido

HA

A–

pK a

Á ci do a c é t ic o

CH3CO O H

CH3COO –

4,76

Ác i do l á t i co

CH3CH O HCO O H

CH3CHOHCOO–

3,86

Áci d o c a r b ô ni co – I

H2CO3

HCO 3–

3,77

Áci d o c a r b ô ni co – I I

HCO 3–

CO3–2

10,20

Áci do f o sf ó r i co – I

H3PO 4

H2PO 4–

2,14

Áci do f o sf ó r i co – I I

H2PO 4–

HPO 4–2

6,86

Áci do f o sf ó r i co – I I I

HPO4–2

PO4–3

12,40

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 61. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

23

Para descrever a curva de titulação de qualquer ácido ou base, é possível utilizar a equação de Henderson-Hasselbalch. Henderson-Hasselbalch. Essa expressão e xpressão é descrita da seguinte forma: pH = pKa + log

[A –] [HA]

Essa equação relaciona o pK , o pH e a concentração do tampão, sendo uma forma a de reescrever a equação da constante de ionização de um ácido. Ela é usada para avaliar as propriedades da relação ácido-base conjugada utilizada para controlar o pH de uma solução. Analisando a equação, é possível perceber que o pH da solução será próximo ao pKa do ácido fraco quando possuir quantidades iguais de ácido e de sua base conjugada. Se a concentração do ácido for igual à da base conjugada, na equação será igual a 1; log de 0 é igual a 1; portanto, por tanto, na condição condição de pH = pKa, a concentração de A – e HA é igual.

1.2 Equilíbrio ácido-básico A conservação do pH nos líquidos corporais é fundamental para a preservação da vida. Para manter o pH fisiológico, que na maioria dos seres vivos está em torno de 7,0, existem vários tipos de substâncias. Grandes mamíferos não toleram variações no pH dos líquidos corporais, em especial do sangue. No ser humano, por exemplo, o pH sanguíneo pode variar apenas entre 7,35 e 7,45. Outro exemplo é o pH do sangue arterial dos cães, que sofre variação entre 7,451 e 7,463. Para ter uma ideia melhor sobre os pHs em compartimentos corporais dos seres humanos, analise a tabela a seguir e observe que, quanto maior a concentração de H+ li  li-vre, menor o pH. Um excelente exemplo é o suco gástrico, que contém ácido clorídrico (HCl), um ácido forte e que libera grande concentração de próton, deixando a solução com pH ácido.

pH e concentração de H+ em compartimentos compart imentos corporais Concentração de H+ (mmol/L)

pH

160

0, 8

3,0 × 10–2 a 1,0 × 10–5

4,5 a 8,0

L íq u i d o i nt e r s t i cia l

4,5 × 10–5

7,35

Sangue pobre em O2

4,5 × 10–5

7,35

Sangue rico em O2

4,0 × 10–5

7,4

S uc o g á s t r ic o U r in a

Fonte: HALL, 2011, p. 402. (Adaptado).

A manutenção do pH correto para cada compartimento corporal – como o citosol da célula ou o lúmen do estômago – é muito importante para a manutenção da homeostase do organismo. Por esse motivo, cada compartimento possui um ou mais sistemas tampões.

 

BIOQUÍMICA

 

24

1.2.1 Sistemas tampão do sangue humano Nos seres humanos, o pH do sangue e do líquido intersticial varia entre 7,35 e 7,45. Variações de ± 0,3 além desses valores correspondem a alterações graves no equilíbrio ácido-base, assim, as concentrações de ácidos fracos e suas bases conjugadas devem ser suficientes para controlar o pH. Vamos ver o exemplo do par do sistema tampão fosfato, H 2PO 4 – /HPO4 –2 , que apresenta pKa  6,86. No citosol das células, a quantidade desses compostos é grande e isso faz com que esse sistema tampão seja o principal para o controle do pH quando comparado a outros tampões, como o bicarbonato. Porém, no sangue, o sistema tampão bicarbonato está em maior quantidade do que o tampão fosfato; por isso, esse tampão é o que melhor controla o pH no sangue. Além desse sistema, as células possuem grandes quantidades de proteínas, que apresentam grupos funcionais com capacidade de liberar ou captar prótons. Esse é o caso do grupo radical da histidina, que apresenta pK a  igual a 6,0. Portanto, na célula, as proteínas que possuem esse grupamento se tornam tampões efetivos quando o pH está próximo ao neutro (NELSON; COX, 2014). No sangue, o principal tampão é o sistema bicarbonato / ácido carbônico total, que apresenta um pKa  de 6,1. Esse sistema tampão é mais complexo do que outros porque se origina do dióxido de carbono (CO2) dissolvido em água. Porém, a reação da união de dióxido de carbono e água é lenta, necessitando do auxílio da enzima anidrase carbônica no interior da hemácia. Veja a fórmula que exemplifica esse processo: CO2 + H2O

H+ + HCO3 –

H2CO3 Anidrase carbônica

Essa reação ocorre dentro da hemácia e o H + liberado no final liga-se à hemoglobina. Com isso, o pH do citosol da hemácia não se altera. O HCO 3 – liberado sai para o plasma sanguíneo pela troca com um Cl –. Essa reação, ao acontecer na hemácia, libera apenas o bicarbonato, contribuindo para o aumento da concentração dessa base con jugada no plasma pl asma sangu sanguíneo. íneo. A manutenção do pH do sangue depende da concentração de ácido carbônico e de bicarbonato, que são, respectivamente, doador e aceptor de prótons. A concentração de H2CO3 , o doador de prótons, é de aproximadamente 1,25 × 10 –3   M e de HCO3 –  é de aproximadamente 25 × 10 –3   M. Colocando-se esses dados na equação de Henderson-Hasselbalch, o pH obtido é o seguinte: –

–3

pH = 6,1 + log [HCO 25 × 10 –3 = 6,1 + log 20 = 7,4 [H 2CO3]] = 6,1 + log 1,25 × 10 3

 

BIOQUÍMICA

 

25

Observe que, nessa equação, não foi acrescentada a concentração de CO2. Porém, como a formação de H2CO3  depende da dissolução de gás carbônico em água, o aumento da pressão parcial de CO2  (pCO2) ocasiona um aumento da concentração de H2CO3 e, consequentemente, de sua dissolução, originando mais prótons livres e HCO 3 – . Ou seja, quanto maior a concentração de CO2, maior a de H+ livre na solução. Devemos analisar também que o pH sanguíneo está próximo do final da faixa de tamponamento do sistema tampão bicarbonato. No entanto, não é somente esse tampão que controla o pH do fluido de forma efetiva. Para que isso ocorra, é necessário haver uma eliminação do CO2  produzido pelos tecidos e do excesso de H +  livre no sangue. Para eliminar o CO2, o organismo ativa o processo de ventilação pulmonar  pulmonar  e, para eliminar o H+ livre, o sistema renal é renal é ativado.

1.2.2 Controle pulmonar do equilíbrio ácido-base O gás carbônico produzido pelas células teciduais durante a respiração celular aeróbica deve ser continuamente liberado. Isso ocorre por meio da hematose realizada pelos pulmões. Normalmente, é encontrada uma pCO2  de 40 milímetros de mercúrio (mmHg) nos alvéolos pulmonares, o que corresponde a uma concentração de 1,2 mol/L. Entretanto, se a concentração de CO2  aumentar em virtude do metabolismo celular, a pCO2  também cresce no líquido extracelular e no plasma sanguíneo, diminuindo o pH. Por consequência, a taxa de ventilação pulmonar deve aumentar, eliminando mais CO2 . Essa eliminação maior de CO2 é responsável pelo controle do pH, uma vez que provoca a diminuição desse gás no líquido extracelular. O gráco a seguir apresenta esse processo, mostrando a relação entre a ventilação alveolar e a variação do pH no sangue.

Alteração do pH ocasionada por modificação na ventilação alveolar     )     1 4   =     l    a    m    r    o 3    n     (    r    a     l    o 2    e    v     l    a    o     ã    ç 1    a     l     i    t    n    e     V

0 7, 0

7, 1

7,2

7,3

7, 4

7, 5

pH do sangue normal arterial Fonte: HALL, 2011, p. 407. (Adaptado).

7, 6

    O     C     i    r     b    a     F       ©

 

BIOQUÍMICA

 

26

Como discutido anteriormente, se ocorrer um aumento na concentração de CO2 no sangue, também haverá um aumento na quantidade de H 2CO3  e H+. Naturalmente, o pH do sangue diminuirá. Agora, observe o gráfico anterior. Verifique que, à medida que o pH vai diminuindo, a ventilação alveolar aumenta. Ora, se a ventilação alveolar aumenta, mais CO2 será eliminado do plasma sanguíneo e, consequentemente, o pH tenderá a voltar à normalidade. Dessa forma, o aumento da ventilação alveolar é alveolar  é uma maneira eficaz de manter o equilíbrio do pH  sanguíneo, especialmente quando o pH diminui.

Talvez o principal exemplo para que você entenda esse mecanismo de compensação desempenhado pelos pulmões seja a atividade física. Quando uma pessoa se exercita, ocorre um aumento da produção de CO 2  em virtude do metabolismo aeróbico realizado pelas células. O aumento do CO2 no sangue poderia provocar diminuição do pH. Entretanto, se a pessoa não apresentar nenhum problema respiratório, o CO2 será rapidamente eliminado pelos pulmões, fazendo o pH voltar para os parâmetros corretos, ou seja, para o pH 7,4. Um detalhe importante que deve ser destacado é que quando o pH sanguíneo aumenta, a taxa de ventilação não diminui na mesma proporção. Isso acontece porque existem outros fatores, como a pressão de O2 , que interfere no processo de movimentação dos músculos respiratórios e, consequentemente, na ventilação pulmonar. Portanto, a resposta respiratória ao aumento do pH não é tão efetiva  quanto a resposta dada pelos pulmões durante a diminuição do pH. A eficiência do sistema respiratório no controle do pH está entre 50% e 75%, o que significa que, se houver uma queda abrupta de pH de 7,4 para 7,0, a ventilação pulmonar sozinha consegue elevar o pH para 7,2 ou 7,3. Essa modificação ocorre no período de 3 a 12 minutos e impede a variação abrupta do pH sanguíneo, possibilitando que um segundo sistema corrija a alteração do pH: o sistema renal. renal.

1.2.3 Control Controlee renal do equilíbrio equilíbrio ácido-base Você deve lembrar que inúmeras funções são atribuídas aos rins, entretanto, quando você é questionado sobre a siologia a siologia renal, talvez a sua primeira resposta seja que “ os rins são responsáveis pela formação da urina” . Sim, isso é verdade e podemos acrescentar que a excreção de uma urina mais ácida ou básica afeta diretamente o pH sanguíneo. Os rins ltram, reabsorvem e secretam continuamente grande quantidade de substâncias e contribuem decisivamente para a manutenção do equilíbrio do pH no sangue. Diariamente, o organismo produz grande quantidade de ácidos não voláteis que não podem ser eliminados pelos pulmões. Sendo assim, cabe aos rins a tarefa de manter o equilíbrio entre ácidos e bases no corpo. De maneira geral, o sistema renal reabsorve o HCO3 – em situações de acidose e o elimina em caso de alcalose.

 

BIOQUÍMICA

 

27

Pense na seguinte situação: um indivíduo, em decorrência de alguma patologia ou em virtude do metabolismo celular, começa a acumular ácidos no plasma sanguíneo. Ele desenvolverá acidose acidose.. Nesse caso, todo o bicarbonato que chega aos rins e é ltrado dede verá ser reabsorvido. Obviamente, os H+  deverão ser excretados na urina. Perceba que a gura indica aumento de H+ no espaço intersticial. Esse H+ rapidamente reage com o tampão HCO3 – formando CO2  e H2O. O CO2 difunde-se pela membrana e entra nas células tubulares onde se combina novamente com H2O. O resultado dessa reação é a formação de HCO3 – e H+, só que agora dentro das células tubulares. O HCO 3 – é trocado por Cl – e reabsorvido para o espaço intersticial, enquanto o H + é lançado para o lúmen do ducto coletor e eliminado pela urina. Resultado: urina ácida e pH sanguíneo tendendo a voltar à normalidade, ou seja, básico. Veja os detalhes na gura a seguir.

Mecanismo de reabsorção de HCO3– nas células tubulares tubu lares durante a acidose (a) Função das células do tipo A na acidose Lúmen do ducto coletor

Células Células intercalares tubulares do tipo A

      e      u

Espaço intersticial

      g       n       a        S

[H+] alta

+

K

filtrado

CO2

H2O + CO2

 HCO3– + H+

Anidrase carbônica H+ + HCO3– H+

 HCO3–

ATP

 HCO3– atua como Cl– um tampão para [H+]

H+ K+

ATP

Alta [K+]

K+ reabsorvido

H+ excretado na urina Fonte: SILVERTHORN, 2010, p. 678. (Adaptado).

+

[K ]

    O     C     i    r     b    a     F       ©

 

BIOQUÍMICA

 

28

Dois detalhes interessantes devem ser observados na figura anterior: a. para manter a eletroneutralidade, quando o H +  é secretado no lúmen, o K+  é reabsorvido. Portanto, a eliminação de H+ aumenta a reabsorção de K+. Apesar disso, a eliminação de prótons na acidose não provoca aumento da quantidade de potássio no plasma, ou hipercalemia, de forma significativa. b. tanto K+ e H+ quanto HCO3 – e Cl C l – movimentam-se através da membrana em sentidos opostos. Essa modalidade de transporte é denominada antiporte.

Simporte é a passagem de duas moléculas para o mesmo lado da membrana por meio de uma Simporte é mesma proteína transportadora. Já antiporte antiporte é  é a passagem de duas moléculas por uma mesma proteína transportadora para lados contrários da membrana.

Agora vamos pensar que a pessoa está desenvolvendo alcalose alcalose.. Lembre que a alcalose se caracteriza pela diminuição da concentração de ácidos ou pela elevação de bases no plasma e as respostas compensatórias serão basicamente opostas à acidose. Analise a figura abaixo e perceba que a concentração de H+ no espaço intersticial está baixa. Nesse caso, dentro das células tubulares, a reação H 2O + CO2, catalisada pela enzima anidrase carbônica, será essencial para repor o H +. Veja a equação: H2O + CO2  H2CO3  HCO3 – + H + O H+ formado durante essa reação será reabsorvido para o espaço intersticial. Consequentemente, sua concentração aumentará nesse local, enquanto o HCO 3 – será trocado por Cl – e lançado no lúmen do ducto coletor. Portanto, a resposta compensatória para uma alcalose é a secreção de HCO3 – no lúmen do ducto coletor e excreção na urina. Para finalizar, observe o comportamento do K+. Ele é trocado por H+ na membrana da célula tubular e também é lançado no lúmen do ducto coletor.

 

BIOQUÍMICA

 

29

Mecanis Meca nismo mo de secreção secreção de de HCO3– e reabsorção de H+  nos túbulos do néfron durante a alcalose (b) Função das células do tipo B na acidose Lúmen do ducto coletor

      e      u

Células intercalares Células do tipoB

Espaço interstical

      g       n       a        S

tubulares

[H+] baixa H2O + CO2 Anidrase carbônica – 3

 HCO

–

 HCO3 + H

+

ATP

H+ H+

Cl–

K+

ATP

H+ K+

excretado na urina     O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: SILVERTHORN, 2010, p. 678 (Adaptado).

Você deve ter percebido que o mecanismo compensatório renal para equilibrar o pH sanguíneo depende essencialmente da eliminação ou reabsorção de H+ e HCO3 –. Esses dois eventos ocorrem praticamente em todos os túbulos renais, com exceção das porções finas descendentes e ascendentes da alça de Henle e, em conjunto, contribuem decisivamente para a manutenção do equilíbrio ácido-base e também das concentrações de íons no plasma sanguíneo.

1.3 Distúrbios do equilíbrio ácido-base Quando o pH sanguíneo está fora da faixa de referência, ocorre um distúrbio do equilíbrio ácido-base, que é  dividido classicamente em acidose metabólica, acidose respiratória, alcalose metabólica e alcalose respiratória.

 

BIOQUÍMICA

 

30

Para fazer a distinção dessas alterações, é necessário observar os sinais e sintomas apresentados pela pessoa, que podem ser confundidos entre si. Para diferenciar corretamente, é preciso fazer a análise de um exame laboratorial denominado gasometria.. Esse exame consiste na análise da pO 2, da pCO2 , do pH sanguíneo, da gasometria concentração de HCO3 –  e de outros componentes, além de avaliar o déficit ou excesso de bases. Esses parâmetros juntos indicam a alteração apresentada pela pessoa e, a partir desses indicadores, é possível avaliar o melhor tratamento. O tipo de sangue mais adequado para averiguar os dados de gasometria é o arterial, entretanto, em alguns casos, é requerida a avaliação do sangue capilar. Nesse caso, é importante observar que os dados de pO2  não são completamente confiáveis (VIEGAS, 2002). Algumas situações podem interferir nas medições e modificar a validade da gasometria. Entre elas, estão a mistura de sangue arterial e venoso, bolhas de ar na seringa, atraso no envio da amostra, heparinização excessiva na amostra arterial,   má  perfusão  e subaquecimento subaquecimento do sangue capilar (DONN; SINHA, SINHA , 2006). 200 6). Para a análise dos parâmetros de gasometria, pode-se utilizar o normograma representado na figura a seguir.

Normograma ácidobásico PCO2  [HCO3– ]

120

100 90 90 80

70

60

60

60

40

56 35

52 48

30

Acidose respiratória crônica

44 40 25

Alcalose metabólica

36

Alcalose respiratória aguda

32

20

Alcalose respiratória crônica

28 24

Normal

15

20 10

16

Acidose metabólica Acidose respiratória aguda

12 8 4 0     O

7,0

7,1

7,2

7,3

7,4

pH

Fonte: PAULA et al ., ., 2012, p. 27. (Adaptado).

7,5

7,6

7,7

7,8

    C     i    r     b    a     F       ©

 

BIOQUÍMICA

 

31

O círculo central do normograma mostra os valores normais e os desvios que ainda podem ser considerados normais. As áreas identificadas com cores diferentes apresentam limites de confiança de 95% das compensações metabólicas e respiratórias para as alterações ácido-base primárias. Para analisá-lo, é necessário olhar primeiro os eixos x, que representa o pH, e y, que mostra a concentração de bicarbonato [HCO 3 –] seguida da análise das linhas oblíquas que cruzam o gráfico e indicam a PCO 2 . Desse modo, localiza-se qual é o distúrbio ácido-base do indivíduo.

1.3.1 Acidose metabólica A acidose metabólica é um distúrbio do pH sanguíneo e aparece quando a produção de H+  supera sua eliminação. Algumas causas metabólicas são relatadas como sendo as principais. São elas: excesso de produção de ácido lático denominada acidose lática, diarreia grave e drenagem intestinal devido à perda excessiva de bicarbonato, insuficiência renal e diabetes mellitus, por conta da produção excessiva de cetoácidos. Além disso, substâncias como o metanol, o ácido acetilsalicílico e o etilenoglicol também ocasionam a acidose metabólica. Analisando a reação do tampão bicarbonato, quando há acidose, ocorre um aumento na concentração de H+ sanguíneo, que reage com o HCO3 –,  provocando a sua diminuição. A reação então desloca-se para a direita, o que provoca um aumento do CO2 sanguíneo. Veja isso na equação abaixo.

 H+ + HCO3 –  H2CO3  H2O + CO2  O aumento da quantidade de CO2 pode causar acidose, entretanto uma maneira eficiente para compensar essa elevação é aumentar o ritmo respiratório, situação denominada de taquipneia. A taquipneia faz com que o CO2 sanguíneo diminua e proporciona o rápido equilíbrio do pH desde que o indivíduo não apresente doenças pulmonares.

1.3.2 Acidose respiratória A acidose respiratória ocorre quando o paciente apresenta pH abaixo de 7,35, sendo que a causa está relacionada a problemas respiratórios. Esse problema pode ser ocasionado por algumas doenças, como a doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC), a poliomielite ou a esclerose múltipla ou outras doenças que ocasionam a fraqueza dos músculos respiratórios. Além disso, a depressão do sistema respiratório devido a medicamentos ou drogas pode ocasionar a acidose respiratória.

 

BIOQUÍMICA

 

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Pessoas que estejam acometidas por doenças pulmonares não eliminam ecienteeciente mente o CO2, o que ocasiona um aumento desse gás no sangue. Naturalmente, por ação da enzima anidrase carbônica, o CO2 reagirá com água, formando ácido carbônico que se dissocia em HCO3 – e H +. Essa situação já foi discutida anteriormente nesse livro e você deve lembrar que, em decorrência disso, há um aumento na concentração de H+  com consequente queda no pH ou acidose respiratória. Perceba isso na equação abaixo.

CO2 + H 2O  H2CO3  HCO3 – + H+  Nesse caso, como o problema é respiratório, o sistema renal faz a compensação, liberando H+  para a urina. Essa eliminação de prótons aumenta o pH sanguíneo, porém apenas moderadamente, não revertendo o pH para a faixa normal. Por isso, tanto o valor de HCO3 – quanto de H+ estarão aumentados na acidose respiratória descompensada.

1.3.3 Alcalose metabólica Alcalose metabólica é denida como o aumento do pH sanguíneo. Caracteriza-se pela diminuição de H+ e aumento de bicarbonato no plasma sanguíneo com consequente aumento do pH. Entre as causas mais comuns da alcalose, destacam-se vômitos, ingestão excessiva de bicarbonato, no caso de ingestão de antiácidos, e hipocalemia. Vamos imaginar a seguinte situação: uma pessoa apresenta vômitos recorrentes. O vômito do conteúdo gástrico causa perda de ácidos e resulta em alcalose. Uma maneira eficiente para compensar essa situação seria envolver o sistema respiratório. Como isso é possível? Pense: se o ritmo respiratório diminuir, situação chamada de bradipneia, haverá retenção de CO2 no corpo que reagirá com água, repondo o H + que foi perdido durante os vômitos. Veja isso na equação abaixo.

CO2 + H 2O  H2CO3  HCO3 – + H+   Você deve estar pensando: entendi que o H+ foi reposto, mas o HCO3 – também aumentou. O que o ocorre com ele? Normalmente, a resposta dos rins a essa elevação é a sua eliminação. No que diz respeito ao H +, a compensação renal é a sua retenção. Isso só não acontece na hipocalemia, pois a falta de potássio gera a eliminação de prótons, ocasionando a alcalose. Esse cenário ocorre quando diminui a quantidade de potássio no sangue e as proteínas tubulares reabsorvem esse íon, porém fazendo antiporte do K+ com o H +, o que provoca a eliminação de próton e, consequentemente, a alcalose metabólica (HALL, 2011).

 

BIOQUÍMICA

 

33

1.3.4 Alcalose respiratória A alcalose respiratória é caracterizada pela diminuição da quantidade de H + por eliminação excessiva de CO2. Inúmeras são as causas da alcalose respiratória, entre elas destacam-se a hiperventilação, normalmente associada a quadros de ansiedade e anemia. Na anemia, da quantidade promove aumento de ventilação, porqueaédiminuição necessário que as hemáciasde doeritrócitos sangue passem maisum vezes pelos pulmões para carregar a mesma quantidade de oxigênio que uma pessoa sem anemia. A compensação desse distúrbio é desempenhada pelo sistema renal, com a eliminação do bicarbonato excedente e com a reabsorção do próton, o que ajuda a corrigir a alcalose.

1.4 Bioenergética Para que a vida possa acontecer, é necessário haver transformações energéticas nas células. Para tanto, os organismos vivos desenvolveram duas estratégias básicas para produzir energia: absorvem energia da luz solar ou captam combustíveis do meio no qual estão inseridos e os oxidam. Entre os nutrientes que precisam ser transformados para fornecer energia à célula estão os carboidratos, as proteínas e os lipídios. Além disso, não basta somente transformar os nutrientes. As células precisam controlar e direcionar a energia produzida para sintetizar as suas próprias estruturas e armazenar suas próprias moléculas. Por denição, a bioenergética estuda as transformações ou trocas de energia realizadas pelas células das quais os organismos vivos dependem (NELSON; COX, 2014). Para a compreensão dessas transformações, é necessário que você analise alguns conceitos da termodinâmica termodinâmica.. Anteriormente, essa ciência estudava as alterações que o calor ocasionava nos sistemas. No entanto, com o passar do tempo, os cientistas perceberam que essa análise não era suficiente. Por esse motivo, o conceito de termodinâmica foi modificado e o consenso agora é de que essa área estuda toda e qualquer mudança que ocorra no universo. A primeira lei da termodinâmica  termodinâmica   estabelece que “a energia não pode ser criada ou destruída, mas somente convertida de uma forma em outra” (HENEINE, 2010, p. 57). Um exemplo prático da primeira lei é o que ocorre no músculo estriado esquelético quando está na situação de movimento. Ele faz transformações na molécula de glicose durante a respiração celular e utiliza e energia proveniente da degradação desta molécula para produzir adenosina trifosfato (ATP). O ATP é quebrado (energia química) para possibilitar o movimento muscular (energia cinética). Como a conversão da energia química em cinética não tem rendimento de 100%, parte da energia dessa transformação é liberada como calor, razão pela qual, ao fazer um exercício, o corpo todo acaba esquentando.

 

BIOQUÍMICA

 

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A segunda lei, lei, que pode ser enunciada de diferentes formas, estabelece que o universo tende a apresentar uma desordem crescente, ou seja, em todos os processos que ocorrem espontaneamente, a entropia  entropia   total de um sistema deve aumentar. (MURRAY et al ., ., 2013).

A entropia é conceituada como a energia contida em um sistema que não é capaz de realizar trabalho.

 

Essas duas leis regem todas as transformações que ocorrem no universo e, por consequência, nos seres vivos. A partir dessas definições, vamos entender agora como funciona o metabolismo e o que caracteriza a bioenergética.

1.4.1 Introdução ao metabolismo O metabolismo é caracterizado pela soma de todas as reações químicas na célula, sejam reações de síntese ou reações de degradação de moléculas. Nesse cenário, existem dois processos metabólicos diferentes: o catabolismo e o anabolismo. O catabolismo ocorre quando as macromoléculas são transformadas em produtos finais menores, mais simples, liberando energia. Reações catabólicas podem ser chamadas de reações de quebra ou degradação. Já no anabolismo anabolismo,, moléculas menores são utilizadas para síntese ou formação de moléculas maiores. Porém, para que essas reações de síntese ocorram, é necessário obter energia de outra fonte, como o ATP ou mesmo transportadores de elétrons, como a nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato (NADPH). Assim, para resumir, o catabolismo libera energia enquanto o anabolismo gasta energia. o fato de  não que  acontecem o anabolismo e o catabolismo seguemUma vias observação metabólicasimportante distintas e,éportanto, simplesmente pelo processo inverso um do outro (NELSON; COX, 2014). Para entender melhor, torna-se necessário discutir o princípio geral da bioenergética.

1.4.2 Princípio geral da bioenergética Como foi mencionado anteriormente, o processo de quebra de moléculas orgânicas realizado durante o catabolismo libera a energia que será utilizada nas reações anabólicas. Na análise do princípio geral da bioenergética, percebe-se que existe uma conexão íntima entre os dois metabolismos, como mostrado na figura a seguir.

 

BIOQUÍMICA

 

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Anabolismo versus Catabolismo Macromoléculas Nutrientes liberadores de energia

Proteínas Polissacarídeos Lipídios

Carboidratos Gorduras Proteínas ADP + Pi NAD+ NADP+ FAD

Anabolismo

Moléculas precursoras

Catabolismo

ATP NADH NADPH FADH2

Energia química

Produtos finais

pobres em energia

Aminoácidos Açúcares Ácidos Graxos

CO2 H2O

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 28. (Adaptado).

Em todos os processos metabólicos, como os transportes de membrana, a criação de um impulso elétrico nos neurônios ou mesmo o transporte de moléculas dentro da própria célula requerem energia. A quebra de nutrientes que ocorre no catabolismo promove a liberação energética, e, portanto, é caracterizada como uma reação  reação  exergônica.. Nesse tipo de reação, a energia liberada deve ser armazenada em molécuexergônica las ricas em grupos fosfato ou outras que transportam elétrons. Por outro lado, essas moléculas levam a energia para os processos de síntese de outras moléculas. As reações de síntese são endergônicas endergônicas,, ou seja, s eja, armazenam energia (NELSON; COX, 2014).

1.4.3 Energia livre de Gibbs (∆G) Para compreender corretamente os processos energéticos das células, é necessário recordar alguns conceitos importantes, como entropia (S), entalpia (H) e variação de energia livre de Gibbs ( ∆G). A entropia, conceituada como a energia que não é capaz de realizar trabalho, caracteriza-se pela análise quantitativa da desordem de um sistema; a entalpia é outra grandeza que compreende o conteúdo de calor de um sistema. Já a energia livre corresponde à quantidade de energia capaz de realizar trabalho, sempre considerando que não exista alteração de temperatura e pressão (HENEINE, 2010). Nesse sentido, temos a seguinte fórmula: ∆G = ∆ H – TDS

 

BIOQUÍMICA

 

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Sendo que: ∆ H = variação da entalpia; ∆ S = variação da entropia;

T = temperatura absoluta. Quando uma reação química ocorre espontaneamente, os produtos formados têm menos energia livre do que os reagentes, assim, a reação libera energia livre que pode ser utilizada para realizar trabalho. Nesse caso, a reação é exergônica exergônica   e o ∆G apresenta valor negativo. Por outro lado, se o ∆G for positivo, a reação é endergônica endergônica,, necessitando de energia de outra fonte; por isso,   não  é espontânea. Se o ∆G for igual a zero, a reação está em equilíbrio químico. Observe na tabela a seguir as principais características das reações exergônicas e endergônicas. Natureza da da Re Reação

Sentido da da Re Reação

∆H

∆G Positivo

Reação endergônica

Não espontânea

Consome energia

∆G Negativo ∆G = Zero

Reação exergônica Equilíbrio

Espontânea --

Libera energia --

Para melhor fixar o conceito dessas reações, analise as figuras a seguir.

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: SADAV SA DAVA A et al ., ., 2009, p.122.

 

BIOQUÍMICA

 

37

Observe que nas reações exergônicas os reagentes descem espontaneamente a ladeira, liberando energia durante a reação. Tal energia deve ser armazenada em moléculas transportadoras de energia para serem utilizadas posteriormente. Por outro lado, para que as reações endergônicas ocorram, há necessidade de adicionar energia. Perceba na figura que a esfera não sobe a ladeira se não for adicionada energia suficiente para que isso ocorra. Você deve estar se perguntando como utilizará esses conceitos gerais na bioquímica. Pense que as reações celulares que ocorrem em organismos vivos podem ser exergônicas, endergônicas ou ainda acopladas umas às outras.

1.4.4 Moléculas transportadoras de energia Para que a célula possa realizar seu metabolismo, é necessária a existência de moléculas cujo envolvimento em processos posteriores possibilite gerar reações exergônicas. Existem dois tipos de moléculas que apresentam esta função: aquelas com fosfatoAs rico em energia as transportadoras de elétrons hidrogênios (NELSON; COX, 2014). primeiras são enucleotídeos que contêm ribose ee são essenciais para o funcionamento da célula, pois operam como uma moeda de troca, como é o caso da adenosina trifosfato ou trifosfato ou ATP TP.. Veja na figura a seguir a estrutura da molécula de ATP. Ela é um nucleotídeo composto por adenina, D-ribose e três grupos fosforilas. Os dois últimos grupos fosforilas estão unidos entre si por ligações de alta energia (anidrido). Por isso, o processo de hidrólise do ATP apresenta ∆G negativo, enquanto o processo de síntese é muito complexo e apresenta ∆G positivo.

Existem várias reações bioquímicas enzimáticas que utilizam a energia armazenada no ATP para realizar seu trabalho na célula. Um exemplo poderia ser o transporte de íons através das proteínas da membrana celular contra o gradiente de concentração. Para que isso ocorra, é necessário acoplar a reação de hidrólise do ATP, que libera energia para que a proteína possa fazer o transporte. Porém, para que essa reação ocorra, é necessária a presença de enzimas, pois a energia de ativação da hidrólise do ATP é alta.

 

BIOQUÍMICA

 

38

Para algumas reações químicas, como as de oxidorredução, que fazem a troca de elétrons, é preciso haver a presença de outro tipo de transportador de energia: as moléculas transportadoras de elétrons e hidrogênios. Estas moléculas originam-se de vitaminas hidrossolúveis, como a nicotinamida adenina dinucleotídeo  dinucleotídeo  (NAD+) e a nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato  fosfato  (NADP+), que são derivados da niacina, e a flavina adenina dinucleotídeo (FAD), dinucleotídeo (FAD), que provém da riboflavina. O NAD+ é considerado o carreador de elétrons mais importante. Seu anel de nicotinamida é a parte reativa da estrutura molecular e, quando ocorre a oxidação de determinado substrato, o anel aceita um H + e dois elétrons.

NAD+ Oxidado H

Reduzido  

O

H H

O

Nicotinamida (derivado de piridina) NH2

2[H+]

NH2 + H+

Ribose H

N

O

O

CH2 R

H HO

O

P

OH

O NH2

O O

P

O

N

 

N

N

Adenosina

N O

O

CH2 H HO

 

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 533. (Adaptado).

OX

NAD+: X = H NADP+: X = PO32-

    O     C     i    r     b    a     F       ©

 

BIOQUÍMICA

 

39

Nas reações de desidrogenação, um H – do substrato é transferido para a molécula do NAD+, reduzindo a estrutura e formando NADH, enquanto o outro H + aparece no solvente. No entanto, a equação de semi-reação é a seguinte: NAD + + 2 H+ + 2 elétrons

NADH + H+

Reação parecida ocorre no caso do NADP+. Essa molécula é semelhante ao NAD +, porém apresenta mais um grupo fosforila. Enquanto o NAD + é utilizado em reações de catabolismo, cataboli smo, o NADP N ADP+ é utilizado em reações de anabolismo. Outra molécula carregadora de elétrons e prótons é a FAD e a sua porção reativa é o anel iso-alaxazina. Assim como o NAD +, o FAD pode aceitar dois elétrons e dois prótons, porém os dois H+  são captados diretamente pelo anel, formando a molécula reduzida FADH2 .

FAD O

Dimetilisoaloxazina H C H3C

 

C

H3C

 

C

N C

C

C C H

N

H C

C

C  

2 e– + 2 H+

NH C

O

N

H3C

 

C

H3C

 

C

H N C C

C H

N

CH2

C C C  

NH C

O

N H

CH2

HC

OH

HC

OH

HC

OH

HC

OH

HC

OH

HC

OH

O

H2C

O

P

O

Adenina

O

Adenina

O

FADH

FAD

2

H2C

O

P

O+

O

P

O–

O

Ribose

O+

O

P

O

Ribose

O–

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 536. (Adaptado).

O FAD está presente em proteínas na forma de grupo prostético, ou seja, faz parte de uma proteína conjugada. As proteínas que contêm FAD são chamadas de flavoprote í ínas prote nas e estão presentes tanto no anabolismo quanto no catabolismo. Nesse capítulo, foram discutidos os diversos mecanismos que contribuem para a manutenção do equilíbrio ácido básico nos líquidos corporais, especialmente no sangue. Vimos também que as moléculas transportadoras de energia possibilitam que a energia retirada da quebra de macromoléculas possa ser usada no processo de síntese de outras moléculas.

 

BIOQUÍMICA

 

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Referências CAMPBELL, M. K; FARRELL, S. O. Bioquímica Combo. 5. ed. São Paulo: Thomson Cengage Learning, 2007 20 07.. DEVLIN, T. M. Manual de Bioquímica com Correlações Clínicas . 7. ed. São Paulo: Blucher, 2011. DONN, S. M.; SINHA, S. K. Neonatal Respiratory Care. Care. 2. ed. Philadelphia: Mosby Elsevier,, 2006. Elsevier 200 6. HALL, J. E. Guyton & Hall Tratado de Fisiologia M édica édica.. 12. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2011. HENEINE, I. I . F. F. Biofísica Básica ásica.. 2. ed. São Paulo: Atheneu, 2010. KOEPPEN, B. M.; STANTON, B. A. Berne & Levy Fisiologia. 6. ed. Rio de Janeiro: Elsevier,, 20 09. Elsevier MURRAY, R. K. et al . Bioquímica Ilustrada de Harper. 29. ed. Porto Alegre: AMGH/ Artmed, 2013. NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 2014. PAULA, J. M. P. de et al . Alteraciones del equilibrio ácido-base. Diálisis y Trasplante rasplante,, [s.l.], v. 33, n. 1, p.25-34, jan. 2012. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j. dialis.2011.06.004. SADAVA, D. et al . Vida Vida:: a ciência da biologia.  biologia.  8. ed. Porto Alegre: Artmed 2009. (v. 1: Célula e hereditariedade) hereditariedade).. SILVERTHORN, D. U. Fisiologia Humana: uma abordagem integrada. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010. VIEGAS, C. A. A. Gasometria arterial. Jornal Brasileiro de Pneumologia , Brasília, v. 28, supl. 3, p. S333-S338, out. 20 2002. 02. Disponível em: . Acesso em 2 dez. 2015. VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W. Fundamentos de Bioquímica: a vida em nível molecular. 2. ed. Porto Alegre: Artmed, 2008.

 

Proteínas eínas e enzimas 2 Prot As proteínas são as moléculas mais abundantes nas células vivas e estão presentes em todos os organismos da natureza. A palavra proteína proteína é  é derivada do grego  protos e signica primeiro, primitivo, o mais importante. Essa classe de biomoléculas é responrespon sável pela maior diversidade de funções nos organismos vivos e corresponde ao produto nal da expressão do nosso código genético. As proteínas também são constituintes bá sicos das estruturas celulares, como o colágeno, promovem o armazenamento de energia   em alguns organismos – como a ovoalbumina, principal proteína presente na clara gia do ovo; e têm função regulatóri regulatóriaa – como a insulina e o glucagon, dois importantes hormônios que regulam o metabolismo. Além disso, proteínas especializadas, denominadas enzimas, podem catalisar reações bioquímicas. Mas o que são as proteínas? Proteínas são macromoléculas complexas e organizadas cujas unidades estruturais são aminoácidos aminoácidos.. Neste capítulo, estudaremos as principais características dos aminoácidos e das proteínas. Além disso, veremos com detalhes como trabalham as enzimas, uma classe de proteínas que possui atividade catalítica. Nosso estudo iniciará pelo entendimento das unidades básicas formadoras das proteínas: os aminoácidos.

2.1 Aminoácidos, peptídeos e proteínas Os aminoácidos são as unidades estruturais que formam os peptídeos e as proteínas. Você pode fazer a seguinte analogia: da mesma forma que tijolos são utilizados para construir a parede de uma casa, os aminoácidos são utilizados na construção de proteínas. Além disso, alguns aminoácidos apresentam funções importantes, como neurotransmissores (glicina e glutamato), precursores de neurotransmissores (triptofano e tirosina) ou transportadores de amônia no sangue (glutamato, glutamina e alanina). alanina). Todos os aminoácidos apresentam uma estrutura estru tura geral comum e conhecer suas propriedades químicas nos permite compreender as propriedades e as características de uma proteína. Na natureza, todas as proteínas são sintetizadas a partir da combinação de apenas 20 20 tipos  tipos de aminoácidos. Todos eles são formados por um carbono central, chamado de carbono alfa (α), ao qual estão ligados quatro substituintes: grupamento amino, amino, de característica básica; grupamento carboxila, carboxila, de característica ácida; cadeia lateral ou grupamento R variável, que diferencia um aminoácido de outro; e hidrogênio. A ilustração a seguir mostra a estrutura geral dos aminoác aminoácidos. idos.

 

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Estrutura geral dos aminoácidos átomo de hidrogênio

H grupo amino básico

H2N

O

C

grupo carboxila acídico

C OH

R

    O     C     i    r     b    a     F       ©

cadeia lateral

Mas como identificamos os aminoácidos? Eles podem ser categorizados de duas formas: a partir de uma abreviação de três letras, que formam uma sigla do nome do aminoácido em inglês, ou por meio de símbolos de uma única letra. Observe o quadro a seguir. Ele revela o nome, a abreviação e o símbolo dos 20 aminoácidos.

Identificação de aminoácidos N o me Gl i c i na Triptofano Al an i n a Pr o l i na V Leaulinciana I sol e u c i n a Me t io ni n a Fe n i l al an i n a Ti ros i n a

A b r e v i a çã o Gl y Trp Al a Pro

Sí m bol o G W A P

N o me S e r i na Treonina C i s t e í na A sp a r ag i n a

Ab r e vi a ç ã o Ser Thr Cys As n

Sí m bol o S T C N

LVeaul Ile Me t P he Tyr

VL I M F Y

GluLtisaim naina

G Lylns His Ar g A sp Gl u

Q K H R D E

Hi s t i di n a A rginina As p ar t at o Gl u t a m a t o

Os aminoácidos também podem ser identificados por meio de algumas propriedades químicas, como a estereoisomeria estereoisomeria.. Na natureza, os compostos químicos que contêm quatro ligantes diferentes no mesmo carbono apresentam uma propriedade química muito especial, chamada de quiralidade. Esse carbono é chamado de quiral ou assimétrico, pois existem dois arranjos espaciais possíveis dos quatro grupamentos ao seu redor. Esses arranjos são chamados de estereoisômeros e são diferenciados de acordo com o tipo de desvio de luz polarizada: dextrógiro (+) desvia a luz para a direita; e levógiro (–), desvia a luz para a esquerda.

 

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Assim, os aminoácidos que contêm quatro ligantes diferentes ao redor do carbono α possuem um centro quiral e, portanto, estereoisomeria. Por exemplo, existe a (+) leucina, que desvia a luz polarizada para a direita e a (–) leucina, que faz o mesmo processo para a esquerda. A única exceção é a glicina, que não possui quatro ligantes diferentes ao redor do carbono α, pois seu grupamento R é o hidrogênio. Outra forma de identificar os aminoácidos foi desenvolvida em 1891 por Emil Fischer e ficou conhecida como Sistema D  e L  ou configuração de Fischer. Nessa nomenclatura, a estrutura dos aminoácidos é comparada à configuração da molécula do gliceraldeído. As formas D  e L  reconhecem a configuração absoluta dos grupamentos ao redor do carbono quiral. Nesse formato, o grupamento carboxila é colocado na mesma posição do grupamento aldeído do gliceraldeído. A cadeia lateral fica sempre abaixo e as duas posições que faltam (esquerda e direita) são ocupadas pelos outros dois ligantes, o grupamento amino e o hidrogênio. Quando o grupamento amino está à direita, semelhante à posição da hidroxila do gliceraldeído, esse aminoácido é do tipo D; entretanto, quando está à esquerda, o aminoácido é L . É importante ressaltar que os aminoácidos encontrados na natureza são predominantemente do tipo L. Na figura a seguir, você pode observar a configuração de Fischer do aminoácido alanina.

Configuração Configura ção de Fischer do aminoácido alanina 1

CHO

HO

2

C

3

H

CHO H

CH2OH

L-Gliceraldeído

H3N

C

H

OH

CH2OH D-Gliceraldeído

COO– +

C

COO– H

C

+

NH3

CH3

CH3

L-Alanina

D-Alanina

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 78. (Adaptado).

Apesar de todos os aminoácidos terem uma estrutura geral comum, eles apresentam propriedades químicas diferentes, de acordo com o tipo de cadeia lateral presente. Entre as propriedades mais importantes, destaca-se o comportamento do aminoácido em relação à água ou polaridade, podendo ser hidrofóbico e apolar (insolúvel em água) ou hidrofílico e polar (solúvel em água). Agora que já sabemos como os aminoácidos são identificados, vamos estudar a sua classificação.

 

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2.1.1 Classificação de aminoácidos A compreensão sobre as propriedades químicas dos diferentes aminoácidos é essencial para podermos entender o papel bioquímico dos aminoácidos isoladamente ou quando estão ligados entre si formando proteínas. Como mencionado anteriormente, os aminoácidos podem ser classificados de acordo com sua polaridade, que pode ser entendida como a tendência do aminoácido para interagir com a água. O primeiro grupo é o dos aminoácidos que contêm grupamentos R, ou cadeia lateral, apolares e alifáticos. alifáticos. Eles normalmente estão na porção interna das proteínas, sem contato direto com a água. A prolina é o único aminoácido de cadeia fechada, conferindo rigidez nas regiões da proteína em que está presente. Também pertence a essa classe a metionina, um aminoácido que possui enxofre em sua cadeia lateral. Ela não é capaz de fazer a ligação dissulfeto, mas consegue transferir seu grupamento metil para outros compostos. A glicina é o aminoácido com menor grau de impedimento estérico, estérico, pois apresenta apenas um hidrogênio como grupamento R.

 

O impedimento estérico ocorre quando átomos se encontram próximos uns dos outros no espaço. Essa proximidade pode gerar uma tensão, importante fator para explicar a estrutura espacial de diversas moléculas.

Os aminoácidos polares e não carregados  carregados  possuem maior solubilidade em água, pois apresentam grupamentos polares – como hidroxila (serina e treonina), suldrila (cis(cis teína) e amida (asparagina e glutamina) – que fazem interações do tipo pontes de hidrogênio com a água. A presença do grupamento suldrila na cisteína possibilita sua ligação com outra cisteína, formando uma ligação dissulfeto e um novo aminoácido, a cistina. Os aminoácidos que contêm um anel aromático no aromático no seu grupamento R formam outra classe. Devido à presença desse anel, essas estruturas são relativamente apolares e possuem baixa solubilidade em água. São eles a fenilalanina, fenilalanina , a tirosina e o triptofano.

Fenilcetonúria é uma doença causada por um defeito na enzima que degrada o aminoácido fenilalanina. Assim, há acúmulo de fenilalanina, que gera ácido fenilpirúvico e provoca retardamento mental grave. O tratamento consiste na retirada da fenilalanina da dieta.

Entre os aminoácidos que possuem carga nas cadeias laterais, temos os aminoácidos com grupamentos R carregados positivamente  positivamente   e aminoácidos com grupos R carregados negativamente. negativamente. A presença de carga nessas estruturas confere polaridade e solubilidade em água. Lisina, arginina e histidina apresentam carga positiva em suas cadeias laterais e característica básica. Já glutamato e aspartato têm carga

 

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negativa e característica ácida. Confira na figura a seguir como se classificam os aminoácidos conforme seu grupamento R.

Classificação de aminoácidos de acordo com seu grupamento R Grupos R apolares, alifáticos –

–

COO +

H 3N C H

COO +

C

H3N

Glicina

COO H + C H2 N CH2  

H

CH3

H

–

H2C

Alanina

Grupos R aromáticos COO– COO–

COO–

–

COO + +

+

H 3N C   H

C H

H3N

+

H3N C H

CH2

CH2

CH 

CH2

+

H3N C   H

CH2

CH3   CH3

Prolina

C CH  NH 

Valina

OH –

–

COO +

C H

H3N

–

COO

COO

+

+

H 3N C H

CH2

H C CH3

CH  CH3   CH3

CH2

H3N

C

Fenilalanina

H

CH2  

S

COO–

+

H3N C   H

CH 3

Leucina

Isol Is oleu euci cina na

Meti Me tion onin ina a

Grupos R polares, não carregados COO– +

H3N

C

H

COO–

COO–

+

+

H3N

H 3N C H

C

H

CH2

H C OH

CH2

OH

CH3

SH

Serina

H3N C   H

+

H3N

H3N C H

C

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

NH

C NH  CH  C N

NH3

C NH2

+

Arginina

H

CH2

COO–

COO–

C

CH2

+ C H H3N

+ C H H3N

C H2N

Asparagina

Histidina

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Grupos R carregados negativamente

CH2 O

H3N C H

CH2

Lisina

COO

COO +

+

COO–

NH2

–

–

H2N

+

+

COO–

Cisteína

Treonina

Triptofano

Grupos R carregados positivamente

CH2

CH3

Tirosina

O

CH2

CH2

COO–

CH2 COO–

Glutamina

Aspar As parta tato to

Gluta Gl utama mato to

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 79. (Adaptado).

Outra importante classicação de aminoácidos diz respeito a sua necessidade na dieta. Assim, existem os aminoácidos essenciais, os não essenciais e os condicionalmente essenciais. Os primeiros são obtidos exclusivamente pela alimentação, pois não possuímos as vias de síntese dessas estruturas. Já   os não essenciais  são  sintetizados pelo nosso organismo. Os condicionalmente essenciais são   aqueles produzidos, mas não  em quantidade suciente em determinados períodos da vida, como no crescimento, na gesges tação e na amamentação. Por isso, devem ser suplementados por meio da dieta.

 

BIOQUÍMICA

 

46

2.1.2 Comportamento dos aminoácidos em soluções aquosas Você sabe o que acontece com os aminoácidos quando são colocados em água? Ocorre a ionização dos grupos carboxila e amino presentes no aminoácido. A carboxila (–COOH), de característica ácida, doa seu íon H +  (próton) e adquire uma carga nega–

+

tiva (–COO ). O grupamento amino (NH ), por sua+ vez, recebe o H  (próton) do meio ácido, ganha uma carga positiva e passa a ser NH 3 . Portanto, temos duas formas possíveis para os aminoácidos: a não iônica e a iônica (ou zwitterion , que significa híbrido). As duas formas estão demonstradas a seguir. 2

Formas dos aminoácidos

+

A

B

Fonte: MURRAY et al ., ., 2013, p. 20. (Adaptado).

A forma ionizada ou zwitteriônica   apresenta uma propriedade química muito importante, seu duplo comportamento ácido-básico. É o que chamamos na química de anfótero ou anfólito: dependendo do meio no qual o aminoácido está inserido, ele poderá se comportar como um ácido ou como uma base. Quando o zwitterion é adicionado em um meio básico, ocorre a liberação do H + do grupamento NH3+, que se transforma em NH 2. A espécie doadora de íon H + em solução aquosa é classificada como um ácido, o que significa que os aminoácidos podem agir como ácidos. Observe a figura abaixo.

Reações ácido-base com aminoácidos H R

C

H COO–

+

NH3

R

C

H  

+

COO– + H

NH2

R

C

H  

+

COO– + H

+

NH3

Zwitteríon

Zwitteríon

como ácido

como base

R

C

COOH

+

NH3

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 83. (Adaptado).

Todavia, quando colocamos a forma iônica dos aminoácidos em um meio ácido, ocorre uma alteração em relação ao comportamento anterior: o grupamento COO –  +

recebe o íon H  do meiooepróton. torna-sePortanto, COOH. Nessas condições, aminoácido age como uma base, pois aceitou podemos concluir oque os aminoácidos podem agir como ácidos, quando inseridos em um meio básico, e como base, quando inseridos em um ambiente ácido.

 

BIOQUÍMICA

 

47

Qual a importância dessa informação? O duplo caráter é extremamente útil para entender a estrutura das proteínas e sua função como a catálise enzimática, por exemplo. A ionização de cada grupo depende do pH do meio e pode ser melhor entendida pela curva de titulação de um aminoácido. Como obtemos uma curva de titulação? Colocamos o aminoácido em uma solução aquosa e fazemos a remoção gradual dos íons H + mediante a adição de uma base. A curva de titulação da glicina está demonstrada na figura a seguir.

Curva de titulação da glicina A

B

+

+

NH3

NH3

pK1

CH2

pK2

CH2 COO–

COOH 13

C

NH2 CH2 COO– V

Glicina

pK2

= 9,60 IV

7

III

pH

pI

pK1

= 5,97

= 2,34 II

I

0

0

0,5

1 – OH  (equivalentes)

1,5

2

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 83. (Adaptado).

No ponto I da figura, temos a glicina totalmente protonada (A), pois em pH ácido o aminoácido age como uma base e, portanto, aceita íons H +. À medida que adicionamos base ao processo, o meio fica mais básico e a glicina passa a atuar como um ácido, ou seja, doa prótons para o meio. Qual íon H + será doado primeiro: o da carboxila (COOH) ou do grupo amina NH 3+? O da carboxila, porque é o próton mais ácido.

 

BIOQUÍMICA

 

48

Gradativamente, por meio da adição de quantidades crescentes de base, obteremos uma segunda forma da glicina ( B), até que no ponto II II teremos  teremos quantidades equivalentes das duas formas (totalmente protonada – A – e a forma que doou um próton – B) e no ponto III III teremos  teremos 100% de uma única forma ( B). A partir do ponto III III,, com mais adição de base, ocorre a doação do segundo próton (agora do grupamento NH3+). Gradualmente, há a conversão da espécie B  em espécie C (após a doação do segundo próton). No ponto IV IV temos  temos quantidades iguais das espécies B e C e no ponto V 100% da espécie C . Quais informações podem ser retiradas com base na análise dessa curva? Já sabemos que os aminoácidos podem agir como ácidos ou bases, dependendo do meio em que estão inseridos. Qual a relação da curva de titulação com a possível função tamponante dos aminoácidos? Por meio da curva de titulação, podemos conhecer os intervalos de pH em que um aminoácido pode agir como um tampão. Por exemplo, os pontos II (pK 1 = 2,34) e IV (pK2  =9,6, 9,6)a da curvapode da glicina são chamados de portanto, regiões tamponantes. Ao redor do pHbruscas 2,34 e glicina agir como um tampão, poderá controlar variações de pH. Entretanto, essas regiões estão bem distantes do pH celular que é próximo de 7, logo, nessa condição, esses grupos não têm um papel importante como tampões. Outra informação importante é o ponto isoelétrico (PI) do aminoácido. Para a glicina, é de 5,97 e corresponde ao ponto III da curva. Esse é o valor de pH em que a carga total da molécula de aminoácido é zero. Agora que entendemos a estrutura dos aminoácidos, podemos passar ao tópico seguinte: a união de dois deles é denominada ligação peptídica. A seguir, veremos de que modo ocorre a ligação peptídica e como, gradualmente, são formadas as proteínas.

2.1.3 1.3 Ligação peptídic peptídicaa A ligação que une dois aminoácidos é chamada ligação peptídica. Essa ligação é covalente, do tipo amida e extremamente estável. Apesar de termos diferentes tipos de aminoácidos, a reação de formação da ligação covalente será sempre feita da mesma forma: a hidroxila da carboxila do primeiro aminoácido reage com o hidrogênio do grupamento amino do segundo aminoácido. Nessa reação, sempre será produzida uma molécula de água. A ilustração a seguir mostra como essa reação ocorre.

 

BIOQUÍMICA

 

49

Formação da ligação peptídica R1

 

+

H3N

H

O

C

R2

O

+

C

H

+

N

C

O–

C O–

H

H

H

H2O

R1

O

C

C

R2

O

+

H3N

N

C

C –

 

H

H

H

O

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: VOET; VOET; PRATT, 2014, 2014, p. 80. 80 . (Adaptado).

Após a formação da ligação peptídica, os aminoácidos são chamados de peptídeos e sempre haverá um grupamento carboxila livre em um dos aminoácidos envolvidos e um grupamento amino livre no outro aminoácido. Os peptídeos siologicamente importantes variam muito de tamanho, desde moléculas com dois ou três aminoácidos até macromoléculas com milhares de aminoácidos. O número de aminoácidos envolvidos nas ligações peptídicas é justamente o critério utilizado para classicar e nomear as estruturas. Quando temos poucos aminoácidos ligados, chamamos essa estrutura de oligopeptídeo   (oligo  = poucos) e muitos aminoácidos ligados recebem o nome de polipeptídeo tídeo polipeptídeo   ( poli  =   = muitos). O termo polipeptídeo, muitas vezes, é considerado um sinônimo de proteínas, mas na bioquímica dizemos que os polipeptídeos têm massas molares de até 10 kDa. Acima disso, chamamos de proteínas. É importante saber que o tamanho de uma proteína não está correlacionado a sua atividade biológica: temos oligopeptídeos, como a ocitocina, que é formada por 09 aminoácidos, com importante atividade biológica.

2.1. 1.4 Classificaç Classificação ão de proteínas Existem diferentes maneiras de classicar as proteínas, por exemplo, de acordo com sua composição ou com o número de cadeias polipeptídicas presentes. Quanto à composição, podemos ter dois tipos de proteínas: simples – formadas apenas por aminoácidos; e conjugadas – cuja estrutura é constituída, além de aminoácidos, por grupos não peptídicos. As proteínas conjugadas podem conter grupamentos de diferentes características químicas, como lipídios, açúcares ou metais. Esse grupamento, não constituído de aminoácidos, é chamado de grupo prostético, prostético, que é essencial para a atividade biológica da proteína.

 

BIOQUÍMICA

 

51

2.2 Estrutura de proteínas A conformação de uma proteína é a relação espacial entre todos os átomos presentes nessa estrutura. Uma proteína, na teoria, pode apresentar milhares de conformações tridimensionais diferentes mas, na prática, encontramos apenas uma predominante e que está intrinsecamente relacionada a sua função. À  medida que a proteína é sintetizada pelos ribossomos, a cadeia polipeptídica assume estruturas conformacionais mais complexas, a partir do enovelamento da cadeia de aminoácidos. A estabilidade dessas estruturas mais complexas é mantida principalmente por interações fracas, do tipo pontes de hidrogênio e Van der Walls. A figura a seguir mostra os três níveis crescentes de complexidade adquiridos por uma proteína chamada colágeno colágeno..

Estruturas do colágeno Sequência dos aminoácidos

Gly

X

Y

Gly

X

Y

Gly Gl

X

Y

Hélice do colágeno

Tripla hélice do colágeno

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: MURRAY et al ., ., 2013, p. 45. (Adaptado).

A sequência de aminoácidos ligados entre si é a estrutura primária da proteína. As interações entre os aminoácidos mais próximos formarão a estrutura secundária e o arranjo espacial originará a estrutura terciária. A união entre duas ou mais estruturas terciárias formará a estrutura quaternária. A seguir, veremos com mais detalhes essas estruturas de uma proteína.

2.2.1 Estrutura primária A estrutura primária é definida como a sequência de aminoácidos de uma proteína. Trata-se da estrutura mais simples e importante, pois é quem define a proteína. A ordem dos aminoácidos em uma cadeia polipeptídica determinará o tipo de interação que ocorrerá entre os aminoácidos próximos e, consequentemente, a estrutura tridimensional final da proteína. Portanto, qualquer mudança na ordem dos aminoácidos de uma proteína altera todas as demais estruturas.

 

BIOQUÍMICA

 

52

A estrutura assumida por uma proteína após sua síntese é condição essencial para que ela exerça sua função f unção corretamente. corretamente. Dessa forma, quando a estrutura primária de uma proteína é alterada, dependendo da alteração conformacional resultante, sua função também sofrerá uma modificação.

2.2.2 Estrutura secundária A estrutura secundária é formada pela interação entre aminoácidos que estão próximos na cadeia polipeptídica, sendo mantida basicamente devido a: impedimento estérico, ligações de hidrogênio e interações eletrostáticas (interações entre cargas, em que a carga positiva repele a positiva e atrai a negativa e vice-versa). Os dois tipos de estruturas secundárias mais comuns são a α-hélice e a conforconformação β. Na primeira, as ligações forçam a proteína a assumir uma forma helicoidal, como uma corda enrolada em torno de um tubo imaginário. Cada volta da hélice contém aproximadamente 3,6 aminoácidos e 0,54 nm. A principal força de estabilização da α- hélice é a ligação de hidrogênio. Na conformação β, a cadeia polipeptídica se estende em uma estrutura em ziguezague disposta lado a lado (folha β). Nesse tipo de estrutura, os resíduos de aminoáciaminoáci dos se organizam em ziguezague; quando vistos lateralmente, as cadeias laterais são observadas em direções opostas. Assim como na estrutura em α-hélice, sua estabilidaestabilida de deve-se principalmente à presença de ligações de hidrogênio. Conra na gura a seguir as estruturas secundárias de proteínas. A da letra A corresponde à orientação dos átomos de uma cadeia polipeptídica em volta de um eixo imaginário (α (α- hélice); a da letra B  mostra α-hélice vista de cima (R representa as cadeias laterais dos aminoácidos); e a da letra C identica a folha β antiparalela (parte susu perior da gura) e a folha β paralela (parte inferior da gura). As setas representam o sentido da cadeia polipeptídica e as linhas tracejadas tracejadas indicam as pontes de hidrogênio.

 

BIOQUÍMICA

 

53

Estruturas secundárias de proteínas A

N

C

C C

N

B

C C N C

C

N

R

 

R

C C

R

R

N C C

N

R

C C C

N

R R

C

Passo de 0,54 nm (3,6 resíduos)

N C C

R N

 

R

C C

N C

N

0,15 nm

C

C

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: MURRAY et al ., ., 2013, p. 37-38. (Adaptado).

Uma mesma proteína pode adquirir diferentes tipos de estrutura secundária em distintas regiões da cadeia polipeptídica. A interação entre essas estruturas no espaço determinará o próximo nível estrutural proteico, ou seja, a estrutura terciária.

2.2.3 Estrutura terciária e quaternária A estrutura terciária de proteína obtida pela interação entre aminoácidos que estão mais distantes emuma relação a suaéposição na cadeia polipeptídica; trata-se da conformação espacial da proteína, sua estrutura tridimensional. Sua estabilização é obtida por meio de interações intermoleculares como interações eletrostáticas, ligações de hidrogênio e hidrofóbicas e covalentes, como as pontes dissulfeto. Existem dois tipos básicos de estrutura terciária: as proteínas com estrutura brobro sa, de baixa solubilidade em água, e as com estrutura globular, altamente solúveis em água. Nas proteínas brosas, as cadeias proteicas estão organizadas na forma de lala mentos, ao passo que, nas globulares, as cadeias se dobram, adquirindo forma esférica. es férica. O tipo de estrutura terciária apresentada pela proteína está intimamente relacionado a sua função celular. As proteínas com estrutura terciária do tipo fibrosa geralmente estão envolvidas em funções de suporte, força e proteção celular. Já as globulares estão associadas às demais funções proteicas, como regulação, catálise, etc.

 

BIOQUÍMICA

 

54

Mas como ficam as estruturas das proteínas que contêm mais de uma cadeia polipeptídica, ou seja, as oligoméricas? Vamos usar como exemplo a proteína hemoglobina, formada por quatro cadeias polipeptídicas diferentes (α1, α2, β1, β2), sendo cada uma delas sintetizada separadamente. Após a síntese, cada cadeia isoladamente assume suas estruturas secundárias e terciárias, mas a proteína só será funcional quando houver a união de todas as cadeias. A união das estruturas terciárias de todas as cadeias polipeptídicas forma a estrutura quaternária. Sendo assim, apenas as proteínas oligoméricas – que contêm mais de uma cadeia polipeptídica – apresentam estrutura quaternária, que é mantida geralmente por ligações intermoleculares, mantendo as diferentes cadeias unidas em uma única estrutura.

2.2.4 Desnaturação Vimos anteriormente que as proteínas se organizam em estrutura primária, secundária, terciária e quaternária, e têm diferentes graus de complexidade. A estrutura final adquirida pelas proteínas é denominada estrutura nativa  nativa  e é essencial para sua atividade biológica. Agora imagine que uma pessoa tem um quadro de elevação da temperatura corporal, ou febre. Como a febre poderia prejudicar a atividade das proteínas, especialmente das enzimas? Quando expostas a alterações de temperatura, pode haver perda da estabilidade das estruturas tridimensionais da proteína e, por consequência, perda de sua função. Essa alteração tridimensional é chamada de desnaturação e o agente causador é a elevação da temperatura. Todavia, existem outras condições que podem desestabilizar essas estruturas. Alterações no pH, tipo de solvente e adição de metais pesados são exemplos de situações que podem causar a perda das estruturas tridimensionais de uma proteína. É importante ressaltar que na desnaturação não ocorre perda da estrutura primária – sequência de aminoácidos –, mas somente da conformação espacial. Caso ocorra perda da estrutura primária, ocorre uma degradação degradação proteica.  proteica. Em alguns casos, quando as condições desnaturantes são mais brandas, a proteína pode reassumir sua conformação tridimensional quando o agente desnaturante é removido. Entretanto, condições prolongadas ou intensas geram uma desnaturação irreversível.

2.3 Enzimas As proteínas são as biomoléculas que apresentam a maior diversidade de funções biológicas. Entretanto, nenhuma outra função é tão especializada quanto a de catálise biológica realizada pelas enzimas. Exceto por algumas ribozimas, ribozimas, ou ou   RNAs catalític catalíticos, os, todas as enzimas são proteínas e, portanto, todos os conceitos utilizados no estudo das proteínas são aplicáveis às enzimas.

 

BIOQUÍMICA

 

55

No final do século XX, foram descritas moléculas de RNA com atividade catalítica, denominadas ribozimas. Seu substrato é a própria molécula de RNA e, como nas proteínas, a estrutura é essencial para a atividade catalítica. Já foram descritas ribozimas em vírus e em células procariontes e eucariontes.

A identificação de uma enzima é feita adicionando-se o sufixo ase ase   ao nome do substrato da reação que ela catalisa ou da reação de que participa. Por exemplo: a amilase catalisa a degradação do amido; uma isomerase catalisa a formação de isômeros. No início desse parágrafo, foi utilizada a palavra substrato substrato.. Substrato é o nome dado à substância que se liga ao sítio ativo da enzima e sofre a ação desta. As enzimas são classificadas de acordo com o tipo de reações que catalisam. As oxidorredutases são enzimas que catalisam reações de oxidorredução; as hidrolases são responsáveis pela catálise de reações de hidrólise; e as transferases participam de reações de transferência de grupos, por exemplo. É importante destacar que as enzimas são fundamentais para que qualquer reação bioquímica ocorra. Além disso, as enzimas também podem regular e integrar as rotas metabólicas, contribuindo para a máxima eficiência das reações celulares. A seguir, descreveremos algumas das características das enzimas, além de conhecer seus mecanismos de catálise, as enzimas regulatórias e seu uso clínico.

2.3.1 Funções e características das enzimas As enzimas são catalisadores biológicos altamente eficientes, capazes de aumentar a velocidade das reações químicas em milhões de vezes. Para atuar, necessitam de condições ótimas de pH e temperatura. Geralmente há uma enzima específica para cada substrato, ou seja, há um encaixe perfeito do substrato ao sítio ativo enzimático. Assim, os substratos são os alvos da ação das enzimas e se ligarão a uma região determinada, chamada de sítio ativo ou sítio catalítico, formando o complexo enzima-substrato. Entretanto, é necessário entender de que forma a enzima reconhece seu substrato. Isso ocorre de duas formas: por afinidade química e por complementariedade. A ligação do substrato ao sítio-ativo só acontecerá se o substrato tiver afinidade química com os grupamentos R dos aminoácidos que estão ali e se sua conformação for complementar a determinadas características do sítio-ativo. A figura a seguir representa a forma de ligação do substrato a sua enzima. Vale esclarecer que h  representa grupos hidrofóbicos e as linhas tracejadas correspondem a pontes de H+.

 

BIOQUÍMICA

 

56

Complexo enzima-substrato Substrato

O

h N H

h

O

h h

N H

HO

h h

 

h

O Enzima

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: VOET; VOET; PRATT, 2014, p. 317. (Adaptado).

As enzimas, assim como as proteínas, também podem conter um grupamento não peptídico ligado à sua cadeia polipeptídica, que é essencial para sua atividade enzimática. Esse grupo é chamado de cofator e pode ser de dois tipos: íons inorgânicos (Cu2+, Fe2+, Mg2+) ou moléculas orgânicas, também chamadas de coenzimas. Quando a ligação do cofator à enzima é muito estável, como uma ligação covalente, recebe o nome de grupo prostético. A parte proteica é denominada de apoenzima ou apoproteína e a enzima acrescida de seu cofator é  chamada de holoenzima.

2.3.22 Mecanismos 2.3. Mecanismos da catálise enzimática Vimos que as enzimas são catalisadores biológicos. Mas de que forma conseguem aumentar a velocidade das reações enzimáticas? Para entender melhor o papel das enzimas, precisaremos perceber de que maneira ocorre uma reação química do ponto de vista energético. O gráfico que analisa a distribuição de energia durante uma reação química é chamado de diagrama de coordenada de reação e reação e está demonstrado na figura a seguir. Lembre-se de que ΔG  é equivale à energia de ativação. ǂ

 

BIOQUÍMICA

 

57

Diagrama de coordenada de reação X Não catalisada

ΔΔGcat (a redução em ΔG pela catálise)

Catalisada

G

A+B

A+B

P+Q

Coordenada da reação

P +Q

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: VOET; VOET; PRATT, 2014, 2014, p. 322. (Adaptado).

As enzimas aceleram a velocidade porque são capazes de reduzir a energia de ativação das reações. E o que é energia de ativação? Trata-se da diferença entre a energia livre dos produtos e a do estado de transição (X ). O estado de transição é o ponto de maior energia do sistema, no qual  não  existe mais substrato livre e ainda não  ocorreu a formação do produto, ou seja, é  um estado intermediário, uma barreira de energia que os substratos precisam ultrapassar para serem convertidos em produtos. Quanto maior a energia de ativação, mais lenta será a reação. Por isso, as enzimas aceleram as reações químicas, já que  são  capazes de reduzir a energia de ativação. ‡

Mas como as enzimas reduzem a energia de ativação? Qual é   a fonte da energia necessária para este processo? A resposta está na interação da enzima com seu substrato: quando a enzima se liga ao substrato, muitas interações são formadas com os grupos funcionais presentes, entre elas as interações covalentes e não covalentes. A cada interação, é liberada certa quantidade de energia e o somatório é chamado de energia de ligação, que é a principal responsável pela redução da energia de ativação. Outra consideração importante a ser feita diz respeito à complementariedade entre enzima e substrato. Atualmente, a hipótese mais aceita é a proposta por Linus Pauling e Jenks, segundo a qual isso ocorre somente no estado de transição da reação e não seria uma complementariedade preexistente, do tipo chave-fechadura (NELSON; COX, 2014).

 

BIOQUÍMICA

 

58

Entretanto, existem algumas reações em que a enzima reduz a energia de ativação por um mecanismo diferente da energia de ligação. Essa redução ocorre por meio de interações do tipo covalente, com grupos químicos específicos na enzima. Esses tipos são chamados de catálises ácido-básica, covalente e por íons metálicos.

2.3.3 Enzimas regulatórias A coordenação dos processos metabólicos do organismo humano está diretamente relacionada à atividade catalítica das enzimas. Para que a regulação ocorra de acordo com as necessidades celulares, dois processos podem ocorrer: o controle da quantidade de enzima disponível e o controle da atividade das enzimas. A quantidade de enzima disponível é regulada por meio da expressão genética dessa enzima. Já o controle da atividade de uma enzima pode acontecer por meio dos inibidores inibidores e  e dos moduladores enzimáticos. enzimáticos. No caso de moduladores, pode ocorrer de duas maneiras distintas: pela adição ou remoção de grupamentos específicos por ligações covalentes reversíveis ou por modificações conformacionais induzidas por ligações reversíveis não covalentes de grupamentos chamados moduladores alostéricos. Geralmente, as enzimas que sofrem regulação de sua atividade (regulatórias) contêm mais de uma subunidade e o sítio catalítico está em uma subunidade diferente do sítio regulatório. Quando o modulador se liga ao sítio regulatório, ocorrem alterações conformacionais no sítio-ativo, que podem converter a enzima em uma forma mais ou menos ativa. Se for um modulador positivo, a ligação converterá a enzima em sua forma mais ativa e, se for negativo, a enzima cará na forma menos ativa. Essas enzimas que têm sua atividade alterada por moduladores são chamadas de enzimas alostéricas. alostéricas. A gura a seguir representa esse processo de modulação. Perceba que o modulador positivo (M) se liga ao sítio regulatório enzimático deixando a enzima mais ativa.

 

BIOQUÍMICA

 

59

Modulação alostérica

C

M

Modulador positivo

S

Substrato

R Enzima menos ativa

– M

S

C

+ M

R

M Enzima mais ativa

S

C

R

M

Complexo enzima-substrato ativo

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 227. (Adaptado).

Nas alterações induzidas por ligações covalentes, grupamentos químicos são adicionados ou removidos em aminoácidos específicos da enzima. Entre os grupos mais comuns estão fosforila, metila, uridinila, acetila, sulfato, etc. Normalmente, a adição e a remoção dos grupos  são catalisadas por enzimas diferentes. Dessa forma, a fosforilação/desfosforilação de uma enzima é essencial para que sua atividade seja regulada de acordo com as necessidades da célula. A seguir, você pode conferir o processo de regulação de uma enzima por meio do grupo fosforila. Ele ocorre da seguinte forma: o grupamento fosforila é adicionado de forma específica a um resíduo serina da enzima. A fonte doadora desse grupamento fosforila é uma molécula de ATP e essa transferência é catalisada por uma enzima cinase (quinase). Na forma fosforilada, essa enzima pode exercer o papel metabólico na célula. Quando a função da enzima na forma fosforilada cessa, ela deve retornar ao estado inicial, sem o grupamento fosforila. Para sua remoção, é necessária a participação de uma terceira enzima, com atividade de fosfatase.

 

BIOQUÍMICA

 

60

Regulação de uma enzima por meio do grupo fosforil ATP AT P

ADP Mg2+ CINASE

Enz

Ser

OH

Enz

Ser

O

PO32–

FOSFATASE

Mg2+ Pi

H2O

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: MURRAY et al ., ., 2013, p. 90. (Adaptado).

Nas vias metabólicas, as enzimas regulatórias são fundamentais para a regulação da formação de produto nas quantidades necessárias pela célula. Essa regulação é essencial para a manutenção da homeostase celular.

2.3.4 Uso das enzimas na clínica A determinação da atividade de algumas enzimas no sangue representa uma importante ferramenta que auxilia no diagnóstico de diversas patologias. Essa área é chamada de Enzimologia Clínica. Para entendermos melhor esse assunto, é necessário conhecer o conceito de isoenzimas ou isoformas enzimáticas. São enzimas que catalisam a mesma reação, mas em tecidos ou organelas diferentes. Estruturalmente são muito semelhantes, mas diferem em relação à sequência de alguns aminoácidos. O aumento da atividade atividade de  de determinadas enzimas no sangue é um indicativo de lesão e/ou proliferação celular, porque a maioria das enzimas é predominantemente encontrada no citoplasma celular. Elas são extremamente úteis na detecção e localização de lesão tecidual e monitoramento do tratamento e progresso da doença.

Determinar a atividade da enzima creatina fosfoquinase (CPK), isoforma MB, é um importante marcador de infarto agudo do miocárdio (IAM). Os níveis séricos de CPK-MB começam a aumentar de três a seis horas após o início do IAM e atingem valor máximo de 12 a 24 horas, normalizando-se normalizand o-se entre 24 e 48 horas.

 

BIOQUÍMICA

 

61

Entretanto, na prática, encontramos a significativa desvantagem de que o aumento na atividade de uma enzima pode refletir desordens envolvendo vários tecidos. Portanto, na maioria das vezes, são ensaios não específicos. Um aumento na atividade da enzima fosfatase alcalina pode significar um distúrbio ósseo ou no trato biliar, tendo em vista que os osteoblastos e as células do trato biliar são importantes produtores dessa enzima. Na prática, costuma-se contornar essa desvantagem com a análise da atividade de  várias enzimas e exames complementares para auxiliar o diagnóstico, além da avaliação clínica do paciente.

2.4 Cinética enzimática A cinética enzimática estuda a velocidade das reações enzimáticas e a maneira pela qual essa velocidade é alterada por diferentes fatores, entre os quais se destacam: pH, temperatura, concentração de enzima e de substrato e presença de inibidores enzimáticos. A seguir abordaremos esses fatores e sua influência na cinética enzimática.

2.4.1 pH e temperatura As enzimas têm a velocidade alterada em resposta às variações do pH e da temperatura. Cada enzima possui uma faixa de pH na qual catalisará a reação em uma velocidade máxima. Quando essa variável é alterada, a velocidade da reação também muda. Alterações no pH do meio em que a enzima está inserida podem causar transformações no estado de ionização das cadeias laterais dos aminoácidos envolvidos com a catálise enzimática e, consequentemente, comprometer a eciência da catálise. O valor de pH em que a enzima apresenta sua velocidade máxima é chamado de pH ótimo. Observe a figura a seguir que representa a atividade de duas enzimas: pepsina e glicose-6-fosfatase. Perceba que a velocidade máxima da reação da pepsina ocorre em pH ácido, enquanto a velocidade máxima da glicose-6-fosfatase ocorre em pH básico. Perceba que alterações de pH resultam em modificações da velocidade da reação. Isso ocorre porque, se a enzima estiver em uma solução em que o pH sofra uma diminuição ou um aumento drástico, a ionização dos aminoácidos é alterada. Por consequência, o formato tridimensional da proteína é perdido, ocasionando desnaturação.

 

BIOQUÍMICA

 

62

Alteração da velocidade em relação ao pH Pepsina

Glicose-6-fosfatase

    0

    V    g    o     l

2

4

6

8

pH

10

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 213. (Adaptado).

Outro fator que precisa ser considerado é a temperatura. A elevação da temperatura de uma reação aumentará a energia cinética das uma moléculas de substrato e de envolvidas. Com esse aumento de energia, ocorre facilitação da reação e, enzimas por consequência, a velocidade da reação também é aumentada. Entretanto, isso   só  ocorrerá  até  determinado estágio, pois, a partir de certa temperatura, o aumento da energia cinética promove a perda da estrutura nativa da enzima e ela sofre desnaturação. Com a desnaturação, a enzima perde sua atividade biológica e, portanto, diminui a velocidade da reação. O valor de temperatura em que a enzima catalisará a reação com velocidade máxima é chamado de temperatura ótima. O perl de alteração da velocidade enzimátienzimática em relação a mudanças na temperatura é semelhante ao observado com o pH.

2.4.2 deque substrato Entre Concentração todos os fatores interferem na velocidade de uma reação enzimática, a concentração de substrato é a que fornece mais informações sobre o mecanismo enzimático. Com o aumento na concentração de substrato, a velocidade da reação cresce até o momento em que não se altera mais, mesmo com concentrações crescentes de substrato. Esse comportamento é explicado pela concentração limitada de enzima nos casos em que aproximadamente toda enzima disponível está na forma de complexo enzima-substrato (ES), atingindo o estado estacionário, ou seja, a velocidade máxima da reação. Nesse ponto, a enzima atingiu seu ponto de saturação pelo substrato. O gráfico a seguir apresenta o efeito da concentração de substrato sobre a velocidade de reação. Observe que a constante Km é a concentração de substrato capaz de fazer a enzima atingir metade de sua velocidade máxima.

 

BIOQUÍMICA

 

63

Efeito da concentração de substrato sobre a velocidade de uma reação enzimática V 

máx

υ 0

V máx

2

0

0

 

K M

 

2K M

 

3K M

 

4K M

 

5K M

[S]

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: VOET; VOET; PRATT, 2014, p. 361. (Adaptado).

A relação entre essas variáveis é observada em uma equação matemática obtida por Michaelis-Menten para enzimas com um único substrato: Vmáx  [S] Vo = Km + [S] Sendo que: Vo = velocidade inicial; Vmax  = velocidade máxima; [S] = concentração de substrato. Todas as enzimas que apresentam uma relação hiperbólica de sua velocidade em relação à concentração de substrato seguem a cinética de Michaelis-Menten. Portanto, para essas enzimas, o Km é igual à concentração de substrato capaz de atingir 1/2 Vmax . De maneira geral, para enzimas com um único substrato, o Km  é uma medida de afinidade da enzima pelo seu substrato: quanto menor for, maior será a afinidade pelo substrato. Outro parâmetro importante de ser avaliado é o kcat   (ou número de renovação). Trata-se de uma medida da quantidade de moléculas de substrato convertidas em produto por unidade de tempo por uma molécula de enzima. Por exemplo, o kcat  da enzima acetilcolinesterase para o substrato acetilcolina é de 14.000 s -1. Isso significa que uma molécula da enzima acetilcolinesterase é capaz de converter 14.000 moléculas de acetilcolina em produto por segundo. A relação entre o K m  e o kcat   de uma enzima representa um importante import ante parâmetro de eficiênci ef iciênciaa enzimática.

 

BIOQUÍMICA

 

64

2.4.3 Inibição Enzimática Inibidores enzimáticos são substâncias com capacidade de reduzir ou inibir completamente a atividade de uma enzima. Conhecer o mecanismo de ação de um inibidor permite também conhecer os mecanismos pelos quais as enzimas atuam. Esse tópico é tão importante que a indústria farmacêutica gasta muito tempo e dinheiro buscando fármacos que possam ser utilizados como inibidores enzimáticos e, consequentemente, possam ser utilizados no tratamento de doenças. Um exemplo que pode ser mencionado é o antihipertensivo captopril. Esse fármaco atua como inibidor seletivo da Enzima Conversora de Angiotensinogênio Angiotens inogênio (ECA), que possui um papel hipertensor importante na siologia normal. Assim, há dois tipos de inibição: a inibição enzimática reversível  reversível  e a inibição enzimática irreversível. irreversível. Na gura, pode-se perceber que a inibição enzimática reversível pode ser subdividida em: (a) inibição competitiva; (b) inibição incompetitiva; e (c) inibição mista.

Tipos de inibição reversível (a) Inibição competitiva E+S

ES

(b) Inibição incompetitiva E+P

E+S

+ S

I

S

ES +

(c) Inibição mista E+P

E+S + I

I

ES +

E+P

I

S

S S

K’

K’

K’ I

I

S

K’ I

I

EI

ESI I

EI + S

I

I

ESI I

I

I

S S

S I

I

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 208. (Adaptado).

A letra (a) representa a inibição competitiva. Veja que substrato e inibidor são estruturalmente semelhantes e capazes de se ligar ao sítio ativo enzimático. Por isso existe competição. Caso o substrato se ligue ao sítio ativo, o complexo enzima-substrato será formado e a reação segue em direção à formação de um produto. Por outro lado, se o inibidor enzimático se ligar ao sítio ativo, forma-se o complexo enzima-inibidor (EI) e a reação bioquímica será inibida, impedindo a formação do produto. produ to. Agora observe a letra (b) da mesma gura. Percebeu alguma diferença na concon formação da enzima? Veja que ela possui dois sítios para ligação, por isso, na inibição incompetitiva, o inibidor se liga em uma região diferente do sítio-ativo. Esse tipo de inibidor só é capaz de se ligar ao complexo enzima-substrato (ES) e formar o complexo enzima-substrato-inibidor (ESI). Quando o complexo ESI é formado, a reação enzimática não prossegue e não haverá formação de produto. Na inibição mista, representada pela letra c na gura, o inibidor pode se ligar diretamente à enzima (EI) ou ao complexo enzima-substrato (ESI).

 

BIOQUÍMICA

 

65

Os inibidores irreversíveis, por sua vez, são aqueles capazes de se ligar, por meio de interações covalentes ou muito estáveis, a regiões específicas das enzimas e inativá-las irreversivelmente. Nesse caso, para a atividade catalítica ser recuperada, é preciso ocorrer a síntese de uma nova molécula de enzima. Neste capítulo, estudamos as biomoléculas que possuem a maior diversidade de funções nos organismos vivos: as proteínas. Vimos que elas são formadas por aminoácidos e que é fundamental o conhecimento de sua estrutura para compreender as características das cadeias polipeptídicas. Além disso, examinamos com detalhe a função das enzimas, que são proteínas especializadas presentes nas células, responsáveis pela catálise das reações bioquímicas.

 

BIOQUÍMICA

 

66

Referências GOMES, E. et al . Enzimas termoestáveis: fontes, produção e aplicação industrial. Química Nova, Nova, São Paulo, v. 30, n. 1, p. 136-145, fev. 2007. Disponível em: . Acesso em: 06/01/2017. MURRAY, R. K. et al . Bioquímica Ilustrada de Harper. 29. ed. Porto Alegre: AMGH/ Artmed, 2013. NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 201 2014. 4. SALAZAR, S. M. Insulinoterapia en el paciente ambulatorio. Bases de la Medicina Clínica,, Santiago, n. 2, 2013. Disponível em: . Acesso em: 05/12/2015. SMITH, C.; MARKS, A. D.; LIEBERMAN, M. Bioquímica Médica Básica de Marks: uma abordagem clínica. 2. ed. Porto Alegre: Artmed, abordagem Ar tmed, 2007. VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W. Fundamentos de Bioquímica: a vida em nível molecular. 4. ed. Porto Alegre: Artmed, 2014.

 

3 Carboidr Carboidratos atos e glicól glicólise ise Os carboidratos são moléculas muito importantes para todos os seres vivos, pois apresentam inúmeras funções, desde energética até estrutural. Essas são as macromoléculas que estão em maior quantidade na natureza e representam mais da metade do carbono fixado nas moléculas orgânicas. Entre as funções biológicas encontradas nos carboidratos, podemos citar: 1. fonte de energia: energia: um bom exemplo é a molécula de glicose, que é fundamental para manutenção da vida; 2. síntese de outros componentes celulares: celulares: muitos carboidratos, como a própria glicose, podem ser transformados em outros componentes celulares, como ácidos graxos, pentoses dos nucleotídeos, lipídios, aminoácidos e nucleotídeos; 3. armazenamento de energia: energia: o amido e o glicogênio representam as formas de armazenamento de energia em células vegetais e animais, respectivamente; 4. elemento estrutural das células e dos tecidos: tecidos: como a celulose nos vegetais e a quitina nos animais, além dos carboidratos associados às proteínas, também encontrados nos tecidos animais, como as proteoglicanas e as glicoproteínas. Todas essas atividades biológicas são possíveis devido à grande diversidade estrutural apresentada pelos carboidratos, que se organizam em moléculas únicas, os monossacarídeos,, cadeias curtas denominadas oligossacarídeos monossacarídeos oligossacarídeos ou  ou cadeias longas denominadas polissacarídeos polissacarídeos.. Essas três classes estruturais serão abordadas neste capítulo. Veremos quais são suas características e como são formadas nos próximos tópicos.

3.1 Monossacarídeos Os monossacarídeos são os carboidratos mais simples e apresentam a fórmula geral Cn(H 2O)n. São moléculas cristalinas que não apresentam cores e muitas vezes possuem sabor adocicado. Nessa classe de moléculas, existem muitas hidroxilas ( – OH) que estão ligadas a carbonos quirais (carbono que possui quatro ligantes diferentes), fato que origina vários isômeros (moléculas com mesma fórmula geral, porém com mudança de posição de grupos hidroxilas em relação ao carbono quiral). Eles são divididos em dois grupos: aldoses aldoses   e cetoses cetoses.. Aldoses são carboidratos que apresentam grupo funcional aldeído e cetoses apresentam grupo funcional cetona. Vamos entender no próximo tópico qual é a estrutura química dos monossacarídeos.

 

BIOQUÍMICA

 

68

3.1.1 Estrutura química Os monossacarídeos são designados pela terminação ose ose.. As aldoses são monossacarídeos poli-hidroxilados, isto é, apresentam várias hidroxilas e têm como grupo funcional principal o aldeído; já as cetoses também são poli-hidroxiladas e contêm a cetona como grupo principal. Um exemplo de aldoses e cetoses está mostrado na gura a sese guir. A caracterização da estrutura na dos monossacarídeos será apresentada adiante.

Aldose e cetose H H

C

O

H

C

H

C   OH

H

OH

H

H

C

OH

C

O

C   OH H

gliceraldeído,

diidroxiacetona,

    O     C     i    r     b    a

uma aldotriose

uma cetotriose

    F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 244. (Adaptado).

Os monossacarídeos podem ter de três a nove carbonos. Os monossacarídeos de três carbonos são as trioses; os de quatro são chamados de tetroses; os de cinco são pentoses; os de seis são denominados hexoses; os de sete carbonos são heptoses; os de oito carbonos são octoses; e, os de nove, nonoses. As hexoses são os monossacarídeos mais abundantes. Entre eles, encontra-se a glicose, o monossacarídeo mais comum na natureza. Com exceção da diidroxicetona, todos os outros monossacarídeos possuem centros quirais (ou seja, possuem carbonos quirais). A menor das aldoses, o gliceraldeído, mostrado na gura anterior, apresenta apenas um carbono quiral. Com a presença dele, obob serva-se que existem dois enantiômeros, o D -gliceraldeído e o L-gliceraldeído. Quando a hidroxila estiver do lado direito do carbono quiral da estrutura desenhada na projeção de Fischer com o grupo carbonila para cima, a molécula possui denominação (D); porém, se estiver do lado esquerdo, a molécula será (L). É importante perceber também que as moléculas mencionadas têm apenas um centro quiral. Por isso, se você estiver estudando tetroses ou outro monossacarídeo com quantidade de carbonos maior, observe que a quantidade de centros quirais aumenta. Nesse caso, para definir se a molécula é D - ou L-, deve-se observar o último carbono quiral da cadeia, fazendo a mesma analogia descrita anteriormente.

 

BIOQUÍMICA

 

69

Agora, analise os carbonos indicados com asterisco nas duas pentoses da próxima figura. Eles são carbonos quirais. A aldose possui três carbonos quirais e, a cetose, dois. Porém, o último centro quiral da estrutura, nos dois casos, está com a hidroxila para o lado direito. Portanto, as duas moléculas são D.

Pentoses H

O C 1 *

H

OH

C

C

2

3

C   H *

H

O

2

*

HO

CH2OH

1

C   OH

*

HO

C   H

3

*

H

4

C   OH

4

CH2OH

CH2OH

5

D-Xilose

    O     C     i    r     b    a     F       ©

5

D-Xilulose

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 244. (Adaptado).

O exemplo mostrou que as duas pentoses são semelhantes, entretanto, como a cetose possui o grupo funcional no carbono dois, ela apresenta um carbono quiral a menos. Esse dado é de grande relevância biológica, tendo em vista que a maioria dos monossacarídeos utilizados pelo homem são D, porém alguns poucos apresentam-se na forma L . É o caso, por exemplo, da L-arabinose, encontrada em associação com proteínas ou lipídios, os chamados glicoconjugados. Contudo, quando dois monossacarídeos diferem na posição da hidroxila de apenas um carbono quiral, eles são chamados de epímeros.  Um exemplo são os monossacarídeos D -glicose e D -galactose. Observe as várias aldoses e cetoses mostradas a seguir e identifique outros epímeros.

Aldoses Três carbonos

Quatro carbonos

Cinco carbonos

H

O

H

C H

O

H

C H

O C

H

C

OH

CH2OH D-Gliceraldeído

O C

O

H

C

O

H

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

HO

C

H

HO

C

H

H

C

OH

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

D-Eritrose

CH2OH

CH2OH

D-Treose

D-Ribose

 

CH2OH D-Arabinose

O C

H

CH2OH

H

C

CH2OH D-Xilose

CH2OH D-Lixose

 

BIOQUÍMICA

 

70

Seis carbonos

H

O

H

C

O

H

C

H

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

H

C

OH

H

H

C

OH

H

CH2OH

H

O

H

C

O

H

C

O

OH

HO

C   H

H

C

OH

HO

C

H

OH

HO

C

H

HO

C

H

H

C

OH

H

C

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

HO

C

H

HO

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

D-Altrose

CH2OH

D-Glucose

D-Manose

CH2OH

H

O C

H

C

OH

HO

C

H

OH

HO

C

H

HO

C

H

C

H

HO

C

H

HO

C

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

CH2OH

D-Gulose

O C

C

CH2OH

H

C

H

CH2OH

D- Alose

O C

CH2OH

D-Idose

CH2OH

D-Galactose

    O     C     i    r     b    a     F       ©

D-Talose

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 246. (Adaptado).

Cetoses Três carbonos

Quatro carbonos

 

Cinco carbonos

CH2OH CH2OH CH2OH H

C O

O

C

O

C

O

H

C

OH

HO

C

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

CH2OH

CH2OH

D-Eritrulose

D-Ribulose

CH2OH Diidroxicetona

C

CH2OH

CH2OH D-Xilulose

Seis carbonos

CH2OH C

O

H

C

OH

H

C

H

C

CH2OH C

O

HO

C

H

OH

H

C

OH

H

C

CH2OH D-Psicose

CH2OH C

O

H

C

OH

OH

HO

C

H

OH

H

C

OH

CH2OH D-Frutose

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 246. (Adaptado).

CH2OH D-Sorbose

CH2OH C

O

HO

C

H

HO

C

H

H

C

OH

CH2OH D-Tagatose

    O     C     i    r     b    a     F       ©

 

BIOQUÍMICA

 

71

Cada monossacarídeo apresenta uma função biológica, porém alguns deles possuem funcionalidades mais importantes. Por exemplo, a ribose tem a função de formar nucleotídeos; já a glicose é necessária para a formação de ATP. Os monossacarídeos podem ser modificados, assim, suas funções biológicas também são alteradas. Outras funções dos monossacarídeos serão mostradas no próximo tópico.

3.1.2 Funções dos monossacarídeos Os monossacarídeos possuem várias funções biológicas. A glicose, a manose e a galactose, por exemplo, fornecem energia para as células quando entram no processo de catabolismo. Já a ribose pode permanecer dessa forma ou originar a desoxirribose após a retirada do oxigênio do carbono 2 da sua molécula. Esses dois monossacarídeos têm a função de formar nucleotídeos para o transporte de energia, funcionar como mensageiros químicos e também formar as moléculas de ácido ribonucleico (ARN, em inglês RNA) e ácido desoxirribonucleico (ADN, em inglês DNA). No entanto, a principal função dos monossacarídeos é a formação de polímeros simples ou complexos por meio de ligações glicosídicas. Esses polímeros podem ser compostos somente de açúcares ou serem conjugados com proteínas ou lipídios. As diferentes conjugações modificam as funções biológicas. Um exemplo são as proteoglicanas, encontradas no tecido conjuntivo, que possuem uma pequena quantidade de proteína ligada ao açúcar. Os glicolipídios, moléculas formadas pela associação de lipídios com açúcares, possuem a função de reconhecimento celular.

3.1.3 Ciclização Você deve ter percebido que os carboidratos foram representados em cadeias lineares, na forma aberta. Porém, em soluções aquosas, os monossacarídeos podem adquirir estrutura de cadeia cíclica, em formato de anel. Isso se deve à aproximação do carbono que possui a dupla ligação com a hidroxila do último carbono quiral. Essa aproximação proporciona uma reação na qual o oxigênio do grupo hidroxila faz um ataque nucleofílico  nucleofílico  no carbono da dupla ligação, formando um anel na molécula do monossacarídeo. Ao mesmo tempo, o átomo de hidrogênio que estava ligado ao oxigênio da hidroxila do último carbono quiral é atraído para o oxigênio que tinha originalmente a dupla ligação, formando outra hidroxila. Note que, nesse caso, o carbono que tinha a dupla ligação torna-se outro carbono quiral.

O ataque nucleofílico ocorre quando o par de elétrons do oxigênio ataca o núcleo de outro átomo, normalmente o carbono, e desloca uma das ligações covalentes.

 

 

BIOQUÍMICA

 

72

Reação de ciclização da D-glicose H 1

H

2

C

O

C

OH

C

H

C

OH

C

OH

3

HO H

4

H

 5

6

6

CH2OH

CH2OH

5

4

H C

OH

H C OH

H

H

3C

2C

H

OH 6

CH2OH

5

H C 4

H C OH 3

C H

H C

H H

CH2OH

5

O 1

4

C OH

HO

1

O

HO

6

C

C

H

1

C H

3

OH

OH

H C OH

HO

2

O

C

2

H

C OH

mutarrotação

α-D-glicopiranose

β-D-glicopiranose

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 247. (Adaptado).

Em aldoses com mais de quatro carbonos e em cetoses com mais de cinco carbonos, a forma predominante é a cíclica. Essa reação entre um aldeído e um álcool ou entre um grupo cetona e um álcool, forma um hemiacetal   ou hemicetal, respectivamente, sendo que o carbono participante desse grupo é chamado de anomérico. A formação do hemiacetal é importante para a construção da ligação glicosídica, que será explicada nos próximos tópicos deste capítulo. Mas também é importante perceber na figura que, como o carbono hemiacetal tornou-se quiral, a posição da hidroxila modifica a conformação da molécula, formando anômeros anômeros.. Quando a hidroxila do hemiacetal fica para cima, a molécula está na forma β; se estiver para baixo, a molécula está na forma α. Os anômeros α e β, quando se encontram em solução aquosa, sofrem mutarrotação mutarrotação..

 

BIOQUÍMICA

 

73

Mutarrotação é a interconversão dos anômeros pela transformação da estrutura cíclica em estrutura aberta e retorno para estrutura cíclica com a configuração invertida no carbono anomérico.

Quando o anel formado apresenta seis elementos, a estrutura é chamada de piranose.. Esse nome deve-se a sua semelhança com a molécula do pirano. Por outro lado, nose quando possui cinco elementos, denomina-se furanose furanose,, porque o anel é parecido com a molécula do furano, como mostra a figura a seguir. Em análises químicas, é possível observar que anéis piranosídicos são mais estáveis que os furanosídicos, devido ao ângulo das ligações químicas. No caso da estrutura furanosídica, o ângulo entre as ligações é mais agudo, fazendo com que as ligações covalentes fiquem mais tensionadas, diferentemente diferenteme nte do que ocorre na estrutura pirano piranosídica. sídica.

Piranoses e furanoses 6

CH2OH

CH2OH

5

H

H

H

4

H

OH

H

HC

1

OH

OH

H OH

HO 3

6

1

O

5

H

H

CH2OH

4

OH

H2C

β - D- Glicopiranose

HOCH2

H OH

H

α - D- Frutofuranose

CH

Pirano

OH

O

O HC

HO 3

CH

OH

2

H H

HO

OH

α - D- Glicopiranose

HOCH2

H

2

H

O

HC

O

O

H OH

CH

HO H

CH2OH

β - D- Frutofuranose

C H

C H

Furano

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 248. (Adaptado).

Também existem algumas maneiras de representar os monossacarídeos na forma cíclica. A mais comum é a fórmula de perspectiva de Haworth , como ilustra a figura anterior. Nessa fórmula, é sugerido que o anel de seis elementos é plano, porém esse fato não é verdadeiro. Em solução aquosa, a molécula pode variar entre dois extremos: conformação em forma de “cadeira” ou de “barco”.

 

BIOQUÍMICA

 

74

Formas de “cadeira” “cadeira” e de “barco” “barco” da molécu moléculala de glicose OH

H

H CH OH 2

HO

H HO

 

O H

CH2OH

HO

H O

H OH

H

HO

H

OH

H

H

Forma de cadeira

OH

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Forma de barco

Ambas as conformações podem se interconverter sem haver quebra de ligações, no entanto, a mais estável é a de “cadeira”. Para finalizar, observe a figura abaixo.

Formas de representação representação da molécula de glicose gli cose O

H

1

C

H

2

C

OH

C

H

C

OH

C

OH

3

HO

H

4

H

  5

6

CH2OH

6

HOCH2 5

H

 

O

H

H 4

1

  OH

HO

3

H

H

OH

2

 

OH

6

HOCH2 HO

H

O

4 6

H

H H

2

OH HO

1

3

H

OH

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Você deve ter percebido, observando a figura, que a molécula de glicose pode ser representada de maneiras diferentes, desde sua cadeia linear, representada no alto da figura, até suas formas cíclicas. Isso é importante porque as conformações tridimensionais específicas de cada monossacarídeo determinarão as propriedades biológicas e funções dos oligossacarídeos e dos polissacarídeos, moléculas que veremos a seguir.

 

BIOQUÍMICA

 

75

3.2 Oligossacarídeos e polissacarídeos Os monossacarídeos podem ser unidos por ligações glicosídicas para formar polímeros de estrutura e tamanho variável. Para que isso aconteça, é necessária a presença de um grupo hemiacetal nos monossacarídeos que pode reagir com a hidroxila do outro monossacarídeo para formar a ligação glicosídica. A extremidade que possui o grupo hemiacetall é chama miaceta chamada da de extremida ex tremidade de redutora e, a partir dela, ocorre a reação com outro monossacarídeo, formando a ligação glicosídica, assunto que será abordado a seguir.

3.2.1 Formação da ligação glicosídica Ligação glicosídica é o nome dado à união de um açúcar a outra molécula que pode ser um álcool, uma base nitrogenada, um aminoácido ou outro açúcar, por intermédio de um átomo de oxigênio. Dessa forma, a ligação é denominada O -glicosídica. Observe a gura a seguir e perceba que o carbono anomérico do hemiacetal da α-D-Glicose é unido covalentemente à hidroxila da  β-D-Glicose. Essa reação é uma reação de condensação, que é responsável pela remoção de uma molécula de água e resulta na formação de um acetal chamado de glicosídeo. Para ocorrer a quebra da ligação glicosídica, é necessário haver a hidrólise, restabelecendo os compostos originais.

Formação e quebra da ligação O-glicosídica CH2OH

 

H

CH2OH

O

H

hemiacetal

H

H HO

  OH

+

H

H

OH

HO álcool

OH

α-D-Glicose

H

H

H2O

OH

H

6

CH2OH 5

O

H

acetal

H

 

hemiacetal

O

OH

H

  OH

H

H

H2O

4

3

H

cond co nden ensa saçã ção o

H HO

OH

hidr hi dról ólis ise e

CH2OH

 

O

β-D-Glicose

6

5

  H

H  

1

2

4

OH O

OH

3

H

H  

1

H

2

OH

Maltose α-D-Glicopiranosil-(1 498)-D-Glicopiranose →

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 252. (Adaptado).

    O     C     i    r     b    a     F       ©

 

BIOQUÍMICA

 

76

É possível perceber que a ligação glicosídica é nominada de acordo com a configuração do carbono anomérico envolvido na ligação e depois é colocado o número dos carbonos dos monossacarídeos que estão ligados. Por exemplo, na maltose mostrada na figura anterior, a primeira molécula de glicose é α e seu carbono 1 foi ligado ao 4 da outra glicose. Portanto, a ligação é α(1→ 4). Outras notações também podem ser usadas, como: α(1,4) ou α-1,4. Todos os monossacarídeos que possuem um grupo hemiacetal sem fazer ligação glicosídica são chamados de açúcares redutores. Quando são formados dissacarídeos, oligossacarídeos ou mesmo polissacarídeos, a extremidade que apresenta um grupo hemiacetal é chamada de redutora. Um detalhe interessante, que deve ser observado, é que quando um monossacarídeo reage com um átomo de nitrogênio de outra molécula, origina a ligação N -glicosídica -glicosídica e não O -glicosídica. Se essa ligação for feita com o nitrogênio do grupo amino de um aminoácido, forma-se uma glicoproteína. Por outro lado, se a ligação for realizada com uma base nitrogenada, o resultado é um nucleosídeo.

3.2.2 3.2 .2 Oligossacarídeos de inter interesse esse human humanoo Alguns oligossacarídeos encontrados na natureza são muito importantes para os seres humanos e também para outros seres vivos. Um exemplo importante é a sacarose,, um dissacarídeo composto de glicose e frutose em ligação α(1→2),  sendo, sacarose portanto, um açúcar não redutor. Esse dissacarídeo é formado como produto intermediário da fotossíntese e nas plantas tem a função de chegar a outras partes para nutrição ou armazenamento. A sacarose, para as células animais, é uma fonte importante de energia e, por possuir um sabor adocicado, é muito utilizada na preparação de alimentos. O consumo excessivo desse carboidrato favorece o desenvolvimento de cáries dentárias, além de estar associado à obesidade. Outro exemplo de dissacarídeo é a lactose lactose,, que é formada por galactose em ligação β(1→4) com a glicose. Está presente no leite e é fonte de energia para os mamíferos. Além disso, fornece carbono para vários tipos de bactérias. Em pessoas com deciência da enzima lactase, encontrada no intestino delgado, a lactose não é degradada, razão pela qual as bactérias intestinais utilizam esse açúcar como fonte de carbono e proliferam. O resultado é o aumento do peristaltismo intestinal, ocasionando sintomas como cólica intestinal e diarreia. Essa doença é chamada intolerânc intolerância ia à lactose lactose.. Outro dissacarídeo importante é a trealose trealose,, que é composta de duas moléculas de glicose formadas por ligação α(1→1), sendo, portanto, um açúcar não redutor. É encontrada na hemolinfa de insetos e em fungos. A gura a seguir exemplica os dissacarídeos.

 

BIOQUÍMICA

 

77

Dissacarídeos CH2OH

CH2OH

O

O

HO

H

H

O

OH H

OH

OH

H H

H

OH

OH

Lactose (galactose-β-1,4-glicose)

CH2OH

CH2OH

O

H

O

H OH

O

HO

HO H

OH

 

OH

CH2OH

H

Sacarose (glicose-α-1,2-frutose)

CH2OH H

HO

O H OH

H

H H

H

O

 

OH

 

OH H

HOH2C

O H

OH

H

OH

H

Trealose Trealo se (glicose –α-1,1-glicose)

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte NELSON; COX, 2014, p. 253. (Adaptado).

Existem diversos outros oligossacarídeos. No entanto, apenas alguns, como os dissacarídeos mostrados anteriormente, são importantes para o consumo humano. Quando a quantidade de monômeros ligados entre si ultrapassa dez monossacarídeos, o polímero passa a ser chamado de polissacarídeo, assunto do próximo tópico.

3.2.3 3.2 .3 Classificação dos polissacarídeos polissacarídeos Os polissacarídeos são os açúcares em maior abundância na natureza, possuindo médio e alto peso molecular. Para serem considerados polissacarídeos, é necessário que tenham dez ou mais monossacarídeos unidos por ligação glicosídica. Eles são classicados de acordo com o tipo de monômeros encontrados e pela presença ou não de ramicações. Se o monômero é um único tipo de monossacarídeo, o polissacarídeo é chamado de homopolissacarídeo. Se, por outro lado, houver dois ou mais tipos diferentes de monossacarídeos, será chamado de heteropolissacarídeo. A gura a seguir mostra essa classicação. Perceba que os homopolissacarídeos são formados por monômeros de um único açúcar, ilustrados na cor amarela. Já os heteropolissacarídeos possuem dois ou

mais monômeros constituintes, ilustrados nas cores verde, rosa e azul.

 

BIOQUÍMICA

 

78

Tipos dos polissacarídeos Hom omo opoli lisssac acar aríídeos Linear

Ramificado

Hetero rop poli lisssac acar aríídeos Dois tipos de monômeros,

Múltiplos tipos de monômeros,

linear

ramificado

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 254. (Adaptado).

Assim como o tamanho do polissacarídeo, a presença ou não de ramificações depende intrinsecamente das enzimas que catalisam a formação das ligações glicosídicas (NELSON; COX, 2014). Por esse motivo, não existe um molde prévio para a organização desses polímeros, que podem ter tamanhos bastante variáveis, uma vez que unidades monossacarídicas podem tanto ser adicionadas quanto removidas.

3.2..4 Polissacarídeos de interesse para a área de saúde 3.2 Na natureza, os polissacarídeos possuem diversas origens e apresentam atividades biológicas distintas, sendo que muitos são interessantes para o tratamento de patologias. Entre os polissacarídeos mais estudados, estão os polissacarídeos de algas, invertebrados, fungos e plantas. Tendo em vista que a variabilidade estrutural desses polímeros é imensa e as atividades biológicas são inúmeras, abaixo são listadas apenas algumas funções para que você perceba a importância dessas moléculas. 1. Processos de reconhecimento e de adesão celular : essa função é desempenhada por vários polissacarídeos. Alguns exemplos são aqueles que compõem o glicocálix e algumas heterofucanas de algas marinhas.

 

BIOQUÍMICA

 

79

2. Ação estimulatória do sistema imune: imune: muitos polissacarídeos que apresentam essa função estão sendo estudados, es tudados, entre os quais as β-glucanas. 3. Atividade antitumoral: antitumoral: essa atividade é desempenhada por vários tipos de polissacarídeos, como β-glucanas, heterofucanas, glucomananas e outros. 4. Atividade anticoagulante: anticoagulante: encontrada em alguns polissacarídeos que apresentam substituintes contendo carga negativa, em especial grupamentos sulfato. Um representante é a heparina, muito utilizada em tratamentos de coagulação disseminada. 5. Atividade antiviral: antiviral: alguns polissacarídeos podem atuar contra determinados vírus. É o caso de uma heterofucana que apresenta atividade contra o vírus do herpes simples. Por outro lado, polissacarídeos comuns, como o amido amido,, o glicogênio glicogênio   e a celulose celulose,, também são importantes para a saúde humana. A celulose não é digerida pelos seres humanos, porque é um polímero linear formado por moléculas de glicose em ligações β(1 →4), porém é utilizada como bra insolúvel. Essa bra, juntamente com outras, como as pectipecti nas, aumenta o trânsito intestinal, facilitando a eliminação das fezes. O glicogênio, por sua vez, é o homopolissacarídeo utilizado para armazenamento de moléculas de glicose nos tecidos animais, servindo também para fazer a manutenção da taxa de glicose no sangue, a glicemia. O amido, encontrado nos vegetais, é a maior fonte alimentar de glicose disponível e é usado para a nutrição humana e para o aumento da glicemia.

3.3 Via glic glicolítica olítica O principal monossacarídeo responsável pela posição central no metabolismo da maioria dos seres vivos é a glicose. Ela é utilizada pela maioria dos tecidos humanos como combustível para a formação de adenosina trifosfato (ATP). Para o cérebro, por exemplo, é o combustível preferencial, sendo que sua diminuição excessiva ocasiona vários sintomas, como tontura, sudorese, desmaio e até mesmo indução ao coma. Como mencionado anteriormente, a maior importância da glicose deve-se ao fato de ser utilizada para formar ATP. Essa transformação ocorre na Via Glicolítica, Glicolítica, também chamada de glicólise glicólise.. Na verdade, a glicólise nada mais é do que uma sequência de reações enzimáticas que degrada/converte a glicose em piruvato, ATP e NADH. Essa via metabólica é uma via central para obtenção de energia em todas as células, sendo que, nas células tumorais, é a via preferencial de geração de ATP. A seguir, veremos qual a importância da via glicolítica, o que a caracteriza, qual sua regulação e de que forma outros monossacarídeos participam dela.

 

BIOQUÍMICA

 

80

3.3.1 Importância da via glicolítica A principal importância da via glicolítica é a produção de piruvato que, na maior parte dos casos, prossegue no processo de formação de ATP e NADH na mitocôndria. Porém, essa via metabólica também é relevante em outros processos celulares devido ao fornecimento de metabólitos utilizados por outras vias. Em algumas células, como o eritrócito (hemácia), é a única que fornece ATP. Isso também ocorre em células que se encontram em respiração anaeróbica, ou seja, quando falta oxigênio para o processo de respiração celular. Por esses motivos, a glicólise é o centro do metabolismo de carboidrat carboidratos. os.

3.3.2 A via glicolítica Para que a célula possa modificar a molécula de glicose e formar piruvato, é necessário que esse monossacarídeo entre na célula. Essa entrada, por meio do transportador de glicose, representado pela sigla GLUT, ocorre por diferença de concentração do monossacarídeo. A glicólise é uma via metabólica que ocorre no citosol da célula e possui dez reações sequenciais, que serão mostradas a seguir. Na primeira reação da glicólise, à medida que a glicose entra na célula, a enzima hexoquinase promove a transferência do grupo fosfato do ATP para o carbono 6 da glicose, formando glicose-6-fosfato, se-6 -fosfato, como mostra a figura f igura a seguir. seguir.

Reação da hexoquinase O HO

–

CH2

O

P

6

O

CH2

–

H HO

 

O

H   OH H

H OH

ATP ADP Mg2+

O

Hexoquinase

 5

H 4

HO

OH

Glicose

H 1

  OH H 3

H

O

H

H

OH 2

OH

Glicose-6-fosfato 10

ΔG

 = – 16,7 kJ/mol

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 548. (Adaptado).

Essa fosforilação é necessária para que o transportador GLUT não reconheça a molécula e a glicose permaneça dentro da célula e também para que a glicose siga pela via glicolítica. Essa é a reação de início da primeira fase dessa via, chamada preparatória. Um dado importante é que a enzima hexoquinase é alostérica e estabelece uma etapa regulatória da glicólise.

 

BIOQUÍMICA

 

81

Na segunda reação, mostrada na figura a seguir, a glicose-6-fosfato sofre isomerização, sendo transformada em frutose-6-fosfato. Essa reação é catalisada pela fosfoexose isomerase. Para que ela ocorra, é necessário que a ligação entre o oxigênio e o carbono 1 da glicose-6-fosfato seja rompida e, em seguida, o oxigênio se liga com o carbono 2, deixando o carbono 1 para fora do ciclo.

Reação da fosfoexose isomerase 6

6

CH2OPO2– 3 5

H

O

H OH

4

HO

H

3

H

CH2OPO2– 3

H OH

CH2OH

O

Mg2+

1

2

1

5

Fosfoexose isomerase

H

OH

H

HO

4

3

2

OH

OH H

Glicose 6-fosfato

Frutose 6-fosfato     O     C     i    r     b    a     F       ©

,

ΔG 0

 = 1,7 kJ/mol

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 549. (Adaptado).

Já na terceira reação, a frutose-6-fosfato sofre fosforilação catalisada pela fosfofrutoquinase-1. Essa enzima transfere o grupamento fosfato do ATP para o carbono 1 da frutose-6-fosfato, frutose- 6-fosfato, formando frutose-1,6-bifosfato, como ilustra a figura a seguir. seguir.

Reação da fosfofrutoquinase-1 O

O –

O

P

O

6

–

CH2

O–

1

O 5

H

CH2

H

HO

4

3

2

OH

ATP ADP Mg2+

OH

fosfofrutoquinase -1

O

P

O O

6

1

CH2

CH2

O–

H

P

O–

O–

O 5

O

H

HO

4

3

2

OH

OH H

OH H

Frutose-6-fosfato

Frutose-1,6-bifosfato ,

ΔG 0 = 14,2 kJ/mol

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 549. (Adaptado).

Na quarta reação, a aldolase catalisa a quebra da frutose-1,6-bifosfato, originando duas trioses-fosfato: truturalmente diferentes.a diidroxiacetona-fosfato e gliceraldeído-3-fosfato que são es-

 

BIOQUÍMICA

 

82

Reação da aldolase O –

O

P

O O

6

1

CH2

CH2

O–

O

H

O–

O–

O 5

P

O

H

HO

4

3

CH2 2+

Mg

2

aldolase

OH

C

O

C

O–

P

HCOH

O–

O

H

O

+

CH2OH

CH2

O O

P

O–

O–

OH H

Gliceraldeído-

Diidroxiacetona fosfato

Frutose-1,6-bifosfato

3-fosfato

,

ΔG 0 = 23,8 kJ/mol

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 550. (Adaptado).

Como os últimos produtos da glicólise são duas moléculas iguais de piruvato, é preciso que as duas trioses-fosfato geradas na reação 4 sejam interconvertidas, gerando duas moléculas iguais para continuar o processo. Isso ocorre na quinta reação, na qual a triose-fosfato isomerase interconverte as duas trioses-fosfato, porém a reação seguinte só ocorre utilizando o gliceraldeído-3-fosfato e isso promove um deslocamento do equilíbrio químico, favorecendo a formação do gliceraldeído-3-fosfato. Essa reação enzimática encerra a fase preparatória da glicólise.

Reação da triose-fosfato isomerase C

O

CH

O

H

O

CH2OH

C O P

HCOH O

O

–

2 –

O

Diidroxiacetona fosfato

triose fosfato isomerse

CH2

O

P

O–

O– Gliceraldeído3-fosfato ,

ΔG 0 = 7,5 kJ/mol

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 552. (Adaptado).

A sexta reação, mostrada na figura a seguir, inicia a segunda fase da via glicolítica, também chamada de compensação ou pagamento. É importante lembrar que, a partir dessa reação, todas as moléculas estão duplicadas.

 

BIOQUÍMICA

 

83

Reação da gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase O

O

H C

+

O

HCOH

+

HO

NAD

Gliceraldeído3-folfato

O

O

O–

P O–

CH2OPO32–

NADH + H

+

C gliceraldeído-3-folfato desidrogenase

Fosfato inorgânico

O–

P O–

HCOH CH2OPO32–

1,3 – Bifosfoglicerato

, 0

ΔG

 = 6,3 kJ/mol

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 551. (Adaptado).

Na reação da figura anterior, a gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase catalisa a retirada de hidreto do carbono 1 do gliceraldeído-3-fosfato, ao mesmo tempo em que insere uma molécula de fosfato inorgânico no lugar formando o 1,3-bifosfoglicerato. Observe que o hidreto retirado retirado do gliceraldeído-3-fosfato gliceraldeído-3-fosfato e também um próton do fosf osfato inorgânico são transferidos para o NAD + formando NADH + H+. A sétima reação, mostrada na figura a seguir, é uma catálise feita pela fosfoglicerato quinase, na qual ocorre a retirada do grupo fosfato do carbono 1 do 1,3-bifosfoglicerato e a transferência para a adenosina difosfato (ADP) formando ATP e 3-fosfoglicerato. É importante lembrar que duas moléculas de ATP serão formadas – uma vez que todas as moléculas estão duplicadas na segunda fase da glicólise.

Reação da fosfoglicerato quinase O– –

O O

O C

O

P

P O–

2+

O–

HCOH CH2OPO32– 1,3 – Bifosfoglicerato

+

Mg

P

fosfoglicerato quinase

O Rib

Adenina ADP

O

P

O–

P

C HCOH CH2OPO32–

O

P

+

O Rib

3 - Fosfoglicerato

Adenina ATP

,

ΔG 0 = – 18,5 kJ/mol

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 552. (Adaptado).

A reação número oito inicia pela catálise que a fosfoglicerato mutase faz, ocasionando a mudança de posição entre o fosfato do carbono 3 e o hidrogênio do carbono 2, gerando o 2-fosfoglicerato. Observe na figura a seguir.

    O     C     i    r     b    a     F       ©

 

BIOQUÍMICA

 

84

Reação da fosfoglicera f osfoglicerato to mutase O–

O C HC CH2

O–

O

OH O O

P

O

fosfoglicerato mutase

–

O

C

Mg2+

HC

O

P

CH2

OH

O–

O–

O– 3-Fosfoglicerato

2-Fosfoglicerato

    O     C     i    r     b    a     F       ©

,

ΔG 0 = 4,4 kJ/mol

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 554. (Adaptado).

O 2-fosfoglicerato formado na reação oito é transformado em fosfoenolpiruvato na nona reação, que está representada na gura a seguir. Essa reação é catalisada pela enolase.

Reação da enolase O–

O C H HO

H2O

O

C

O

C

O–

P

O

C enolase

O–

CH2

O–

O

O

O–

CH2

2-Fosfoglicerato

O–

P

Fosfoenolpiruvato

    O     C     i    r     b    a     F       ©

,

ΔG 0 = 7,5 kJ/mol

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 554. (Adaptado).

O fosfoenolpiruvato é, então, catalisado pela enzima piruvato quinase, que retira o grupo fosfato do fosfoenolpiruvato, transferindo para o ADP, formando ATP e piruvato. A reação está representada na figura a seguir.

Reação da piruvato quinase O– –

O

–

O

O C C CH2

O O

P

O–

O

+

P

Mg2+, K+

C

P

piruvato quinase

C

O R ib

Fosfoenolpiruvato

O

Adenina  

O

P

CH3

ADP

O P

O +

P O Rib

Piruvato

Adenina ATP , 0

ΔG

 = –31,4 kJ/mol

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 554. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

85

A glicólise acontece em todas as células, porém, se o oxigênio estiver presente, na maioria delas, o piruvato formado ao final da via entra na mitocôndria para continuar o processo de respiração celular. Entretanto, se não houver oxigênio, o piruvato ficará acumulado no citosol e ocorre a fermentação. Como a via glicolítica tem grande importância para a célula, esse metabolismo deve ser muito bem regulado, como será mostrado a seguir.

3.3.3 Regulação da via glicolítica A glicólise é regulada de acordo com condições tanto intra quanto extracelulares, bem como pela atividade de três enzimas que foram mencionadas anteriormente: a hexoquinase, a fosfofrutoquinase-1 e a piruvato quinase. Nesse momento, vale a pena você voltar e localizar as três enzimas na via glicolítica. A hexoquinase possui várias isoenzimas isoenzimas,, proteínas diferentes que catalisam a mesma reação enzimática. Dois exemplos são a hexoquinase IV ou glicoquinase, presente no fígado, e a hexoquinase I, encontrada nos músculos. A regulação da glicoquinase ocorre por compartimentalização. Observe a gura abaixo e perceba que a glicoquinase está presente no citosol do hepatócito. Quando a glicemia aumenta, a glicoquinase faz a transferência do grupo fosfato do ATP para o carbono 6 da glicose, formando glicose-6-fosfato. Caso a glicemia diminua, uma proteína reguladora sequestra a glicoquinase do citosol, levando-a para o núcleo. Como está em outro compartimento, a via glicolítica é interrompida, desviando o metabolismo para o consumo de outros combustíveis, como os lipídios. Quando a glicemia aumenta novamente, a proteína reguladora se solta da glicoquinase e esta retorna ao citosol para iniciar novamente a via glicolítica.

Capilar

Controle Con trole da glicoquinase por sequestro nuclear GLUT2

Citosol

Núcleo

Glicose Glicose

Membrana plasmática

Glicoquinase

Glicoquinase

Glicose-6-fosfato Proteína reguladora Frutose-6-fosfato

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 603. (Adaptado).

    O     C     i    r     b    a     F       ©

 

BIOQUÍMICA

 

86

A hexoquinase I, presente nos músculos, atua na sua velocidade máxima, uma vez que a glicose proveniente do sangue produz uma concentração intracelular suficientemente alta para saturá-la. Outro aspecto significativo sobre essas enzimas é a diferença na velocidade de reação de cada uma. A hexoquinase I apresenta um Km (constante de Michaelis-Menten) muito menor que a glicoquinase, como mostra a figura a seguir.

O Km é uma constante que pode refletir a afinidade da enzima pelo seu substrato, quanto menor Km, maior a afinidade.

 

Comparação Compara ção entre a cinética da hexoquinase I e da glicoquinase gli coquinase 1,0 Hexoquinase I    a    v     i    t    a     l    e    r    a    c     i    t     á    m     i    z    n    e    e     d    a     d     i    v     i    t     A

0

Hexoquinase IV (glicocinase)

5

10

15

Concentração de glicose (mM)

20

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 603. (Adaptado).

Outra enzima regulatória é a fosfofrutoquinase-1. Essa é a enzima da etapa regulatória mais importante da glicólise. Ela é inibida pelo ATP e pelo citrato e ativada pelo AMP e pela frutose-2,6-bifosfato. A frutose-2,6-bifosfato é produzida pela fosfofrutoquinase-2. A fosfofrutoquinase-2 produz esse composto quando existe um grande suprimento de glicose. Isso ocorre porque a quantidade de frutose-6-fosfato aumenta, consequentemente crescendo a produção de frutose-2,6-bifosfato. A frutose-2,6-bifosfato, quando presente, ativa a fosfofrutoquinase-1 e a via glicolítica. Ao mesmo tempo, inibe a frutose-1,6-bifosfatase e a gliconeogênese que ocorre no fígado e nos rins.

 

BIOQUÍMICA

 

87

A concentração de fosfofrutoquinase-2 é controlada pelo próprio substrato, no chamado controle alostérico, e também sofre controle hormonal via modificação covalente. Como a inibição da fosfofrutoquinase-1 promove um acúmulo de frutose-6fosfato e, por consequência, de glicose 6-fosfato, se a fosfofrutoquinase-1 estiver inibida, a hexoquinase I também estará. A piruvato quinase é a última enzima da via glicolítica e está presente em várias isoformas: a forma L (fígado, em inglês, liver ), ), a M (músculo, em inglês, muscle) e a R (hemácias, em inglês, red blood cells). Cada uma dessas formas apresenta uma regulação diferente: a L e a M são inibidas pelo ATP e pelo aminoácido alanina e a L sofre inibição por fosforilação reversível, controlada pelo glucagon.

3.3..4 Entrada de outros monossacarídeos na via glic 3.3 glicolítica olítica A glicose é, sem dúvida, o principal açúcar utilizado na via glicolítica, mas agora você deve estar pensando: e os demais monossacarídeos, não são metabolizados? A resposta é: sim, claro que são metabolizados. Além da molécula de glicose, inúmeros outros monossacarídeos podem ser utilizados na via glicolítica. Observe atentamente a gura abaixo. Localize as moléculas de D-galactose e D-manose. Esses dois monosmonos sacarídeos podem alimentar a via glicolítica. Para tanto, a galactose precisa ser convertida para UDP-galactose, UDP-glicose e, posteriormente, para glicose-1-fosfato. A fosfoglicomutase catalisa a transferência do grupo fosfato do carbono 1 para o carbono 6, formando glicose-6-fosfato. A D-manose também é fosforilada pela hexoquinase e convertida a manose-6-fosfato, que é transformada em frutose-6-fosfato, numa reação catalisada pela fosfomanose isomerase. Depois dessas transformações, tanto a D-galactose quanto a D-manose seguem naturalmente pela via glicolítica.

 

BIOQUÍMICA

 

88

Utilização de outros carboidratos na via glicolítica  

Trealose

CH2OH

Lactose  

Trealase

HO

Lactase

O

H

H OH H

H CH2OH H HO

Sacarose

 

O

H

Pi

UDP-galactose

H

O 

H

ATP

CH2OH Fosfoglucomutase

CH2OH

HO

OH

H HO

Glicose 6-fosfato

OH H

O

H OH

H

D-Manose

ATP

Hexoquinase

Frutose 6-fosfato

 Frutoquinase

 

H   OHHO H

ATP

D-Frutose

ATP

UDP-glicose

Glicose 1-fosfato Hexoquinase

HOCH2

Fosforilase

OH

H OH D-Glicose

Sacarase

H OH D-Galactose

Glicogênio; amido

H   OH H

OH

Frutose 1-fosfato

Hexoquinase

Manose 6-fosfato Fosfomanose  isomerase

 Frutose 1fosfato aldolase

Frutose 1,6biofosfato Glic Gl icer eral alde deíd ído o   Triose

ATP quinase

+

Diid Di idro roxi xice ceto tona na fosfato Triose fosfato isomerase

Gliceraldeído 3-fosfato

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 560. (Adaptado).

Além de monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos também podem alimentar a via glicolítica. A gura acima mostra três dissacarídeos, a sacarose, a trealo se e a lactose, e dois polissacarídeos, o glicogênio e o amido que, após ação enzimática, são introduzidos e metabolizados na via glicolítica. Com a utilização de vários tipos de carboidratos, a célula possui uma grande variedade de possibilidades para a produção de ATP por meio dos carboidratos.

 

BIOQUÍMICA

 

89

3.44 Fermentação 3. O processo de fermentação é realizado por células que não possuem mitocôndrias ou quando as células, mesmo com mitocôndrias, ficam privadas de oxigênio, situação da respiração anaeróbia. Nesses casos, o piruvato formado na glicólise se acumula na célula, iniciando o processo de fermentação. Dependendo da espécie do organismo, pode ocorrer a fermentação alcoólica, quando se forma o etanol; a fermentação acética, quando se forma o ácido acético; ou a fermentação lática, na qual forma-se ácido lático. É o que veremos a seguir.

3.4.1 Destinos do piruvato Em condições aeróbias, ou seja, quando existe oxigênio disponível para a células, o piruvato formado na glicólise é direcionado para a mitocôndria, onde é transformado em acetil-CoA que iniciará o ciclo do ácido cítrico seguido pela fosforilação oxidativa. Essas três etapas, a glicólise, o ciclo do ácido cítrico e a fosforilação oxidativa, formam o que conhecemos como Respiração Celular, que será discutida posteriormente. Porém, quando não há oxigênio disponível, o piruvato não consegue ir para a mitocôndria e acumula no citosol, iniciando o processo de fermentação. Além desses possíveis processos, o piruvato pode ser transformado em oxaloacetato pela catálise da piruvato carboxilase. Isso mantém a quantidade de oxaloacetato na mitocôndria, permitindo que o ciclo do ácido cítrico continue funcionando. Outro destino possível para o piruvato é o que pode ocorrer no fígado e nos rins. Se as células hepáticas e renais sofrerem estímulo hormonal do glucagon e do cortisol, o piruvato pode ser transformado em glicose novamente, em um processo chamado gliconeogênese.

3.4.2 Fermentação alcoólica Determinados organismos, como a levedura Saccharomices Cerevisae, quando estão com suas células em condições anaeróbicas, fazem fermentação alcoólica. Nesse caso, o piruvato acumulado é transformado em etanol. Nessa reação, mostrada na figura a seguir, a piruvato descarboxilase catalisa a retirada de um CO2 da molécula do piruvato, formando um acetaldeído. Em seguida, a enzima álcool desidrogenase usando NADH, reduz a molécula do acetaldeído, acetaldeído, formando etanol e NAD +.

 

BIOQUÍMICA

 

90

Reação de formação de etanol na fermentação alcoólica O

C

O–

C

O

CH3

CO2 Mg2+ TPP2 piruvato descarboxilase

Piruvato

NADH + H+ NAD+ O

C

H

CH3

álcool desidrogenase

Acetaldeído

OH CH2 CH3 Etanol

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 565. (Adaptado).

O etanol formado nessa reação pode ser utilizado pelos humanos para várias atividades do dia a dia, como a produção de bebidas, desinfetantes, medicamentos, etc.

3.4.3 Fermentação acética A fermentação acética acontece em poucas espécies. Nesse processo, é necessário ocorrer primeiro a fermentação alcoólica. A solução contendo etanol, se for adicionada a bactéria do gênero  Acetoba  Acetobacter  cter  ou   ou o fungo Micoderma Acetii , ocorrerá o processo de fermentação acética. O ácido acético formado pode ser utilizado para fabricar vinagre de utilização culinária, por exemplo.

3.4.4 Fermentação lática O processo de fermentação lática ocorre nas células de todos os animais. Isso acontece quando não há oxigênio presente para possibilitar a continuidade da respiração celular. Com isso, o piruvato formado no citosol será transformado em lactato às custas do NADH. A enzima que catalisa essa reação, que está ilustrada na figura a seguir, é a lactato desidrogenase.

Reação de formação de lactato na fermentação lática O

C

O–

C

NADH + H+ NAD+

O

CH3 Piruvato

lactato desidrogenase  

O HO

C

O–

C

H

CH3 Lactato

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 563. (Adaptado).

    O     C     i    r     b    a     F       ©

 

BIOQUÍMICA

 

91

Nesse ponto, é importante chamar a atenção para um detalhe: os eritrócitos, células vermelhas do sangue, não possuem mitocôndrias. Assim, a reciclagem do NAD + mostrada na figura anterior possibilita que a reação da gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase continue funcionando na glicólise que ocorre nos eritrócitos. Em outros tipos celulares, se a célula receber oxigênio, a lactato desidrogenase catalisa a reação inversa, formando novamente o piruvato, que entra na mitocôndria para continuar o processo de respiração celular. Se a célula não receber oxigênio, o lactato formado durante a fermentação lática vai para o plasma sanguíneo e é levado ao fígado. Nesse órgão, o lactato é utilizado para produzir glicose “de novo” no processo conhecido como gliconeogênese. A glicose formada nesse processo volta ao plasma para nutrir os tecidos, incluindo as hemácias. Esse processo é chamado Ciclo de Cori. Nesse capítulo, descrevemos a classificação, estrutura e as funções dos principais carboidratos utilizados para o metabolismo celular. Vimos também, uma a uma, as reações da glicólise, desde a entrada que da glicose na célula até a formação de piruvato. Para finalizar, você deve ter percebido o piruvato representa uma importante junção de rotas metabólicas e que o mesmo pode seguir caminhos distintos dependendo da disponibilidade ou não de oxigênio celular.

 

BIOQUÍMICA

 

92

Referências AHMADI, A. et al . Antiviral Potential of Algae Polysaccharides Isolated from Marine Sources: a review. Biomed Research International. v. 2015, p. 1-10, jun. 2015. Disponível em: . Acesso em: 20/11/2015. AKRAMIENE, D. et al . Effects of beta-glucans on the immune system. Medicina Medicina.. Lithuania, 2007. v. 43. n. 8. p. 597-606. Disponível em: . Acesso em: 26/11/2015. BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L; STRYER, L. Bioquímica. 7. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2014. CAMPBELL, M. K.; FARRELL, S. O. Bioquímica Combo. 5. ed. São Paulo: Thomson Cengage Learning, 2007. DIALLO, D. et al . Polysaccharides from the roots of Entada Africana Guill. et Perr ., ., Mimosaceae, with complement fixing activity. Journal of ethnopharmacology. Filadélfia, fev. 2001. v. 74. n. 2. p. 159-171. EDENS, R. E.; LINHARDT, R. J.; WEILER, J. M. Heparin is not just an anticoagulant anymore: six and one half decades of studies stu dies on the ability of heparin to regulate ccomomplement activity. Complement Profiles. Profiles. Basel, 1993. v. 1. p. 96-120. Disponível em: . Acesso em: 26/11/2015. KRAUS, J.; FRANZ, G. Immunomodulating effects of polysaccharides from medicinal plants. Advances in Experimental Medicinal and Biology . v. 319. p. 299-308. 1992. MAO, G. H. et al . Antitumor and immunomodulatory activity of a water-soluble polysaccharide from Grifola frondosa. Carbohydr Polym. v. 10. p. 406-412. 2015. NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger . 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 2014. PAULSEN, B. S. Plant polysaccharides with immunostimulatory activities. Current Organic Chemistry. Beijing, 2001. v. 5. n. 9. p. 939-950. STEVAN, F. R. et al . Cytotoxicity Cytotoxicity against HeLa cells cell s of polysaccharides from seaweeds. Journal of Submicroscopic Cytology and Pathology . v. 33. n. 3. 2001. VOET, D.; VOET, J. G.; G. ; PRATT PR ATT,, C. W. Fundamentos de Bioquímica: a vida em nível molecular. 2. ed. Porto Alegre: Artmed, 2008.

 

4 Respiraç Respiração ão celul celular ar A respiração celular é a fase aeróbia, ou seja, dependente de oxigênio, do catabolismo de carboidratos, proteínas e lipídeos, que envolve a formação de dióxido de carbono (CO ) com a consequente formação de adenosina trifosfato (ATP). Os organis2 mos que utilizam o oxigênio da atmosfera em seu metabolismo, gerador de energia, e liberam dióxido de carbono são denominados quimiotróficos e diferem dos autotróficos por serem incapazes de sintetizar o próprio alimento. A respiração celular é classicamente dividida em três estágios. No primeiro, ocorre a degradação dos substratos energéticos (carboidratos, lipídeos e alguns aminoácidos provenientes de proteínas) e a formação de piruvato e acetil coenzima A (acetil-CoA). O segundo estágio envolve a oxidação da molécula de acetil-CoA no ciclo do ácido cítrico. E no terceiro momento, as moléculas transportadoras de elétrons, nicotinamida adenina dinucleotídeo (NADH) e avina adenina dinucleotídeo (FADH 2) reduzidas serão oxidadas na cadeia respiratória mitocondrial, ocorrendo o consumo de oxigênio e a formação do ATP. Os três estágios da respiração estão indicados na gura a seguir.

Estágios da respiraç respiração ão celular Estágio 1 Produção do acetil-CoA

Amin Am inoá oáci cido doss Ác Ácid idos os grax graxos os

Glic Gl icos osee Glicólise

Piruvato e

e

Complexo da piruvato-desidrogenase CO

e

e

Acetil-CoA Estágio 2 Oxidação da acetil-CoA

Oxaloacetato

Citrato

Ciclo do ácido cítrico

e

e

e

CO

Estágio 3

CO

e

NADH FADH (transportadores e  de reduzidos) –

Transferência de elétrons e fosforilação oxidativa

e

Cadeia respiratória

1_ 2H+ + 2 O

(transferência de elétrons)

HO ADP + P¡

ATP

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 634. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

94

A via de degradação dos diferentes substratos energéticos é especíca e depende do tipo de substrato utilizado. Os carboidratos e alguns tipos de aminoácidos originam piruvato durante suas vias de degradação. Já os lipídeos originam apenas acetil-CoA. A seguir, veremos de que maneira ocorre a formação de acetil-CoA a partir de piruvato.

4.1 Primeiro estágio da respiração celular A formação do piruvato ocorre no citosol, com a degradação da glicose em uma sequência de reações químicas denominada via glicolítica. O mesmo piruvato pode se originar a partir da degradação de alguns aminoácidos, chamados aminoácidos glicogênicos. Outros aminoácidos não formam piruvato durante as reações catabólicas. Essas moléculas originarão diretamente o acetil-CoA. Observe a figura abaixo. Tanto açúcares e polissacarídeos quanto gorduras passam pela membrana plasmática e podem ser utiliza u tilizados dos para a formação de acetil-CoA.

Fontes de formação de acetil-CoA Membrana plasmática Açúcares e polissacarídeos

 

Açúcares Aç

Glicose

Piruvato  

Piruvato Acetil- CoA

Gorduras

Ácidos graxos

 

Ácidos graxos

Ácidos graxos

MITOCÔNDRIA

    O     C     i    r     b    a     F       ©

CITOSOL

Fonte: ALBERTS et al., 2011, p. 437. (Adaptado).

Açúcares e polissacarídeos são utilizados para formar o piruvato na via glicolítica enquanto as gorduras originam ácidos graxos. Ambos são direcionados para a mitocôndria e formam acetil-Coa, molécula precursora do ciclo do ácido cítrico. Aminoácidos também entrarão diretamente na mitocôndria para serem transformados em acetil-CoA.

4.1.1 Formação do acetil-CoA A molécula de piruvato formada no citosol entra na mitocôndria a partir de um transportador específico, uma translocase translocase específica de piruvato e OH –. Em seguida, o piruvato será convertido à acetil-CoA por meio de um complexo enzimático formado por três enzimas, chamado piruvato desidrogena desidrogenase se.. Para que essa reação aconteça, além das três enzimas, é necessária a participação de cinco coenzimas ou grupos prostéticos, cuja fonte primária é a alimentação. São elas: nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+), flavina adenina dinucleotídeo (FAD +), lipoato, tiamina pirofosfato (TPP) e coenzima A. Observe a figura a seguir. Ela indica a desidrogenação e a descarboxilação

do piruvato resultando na formação de acetil-CoA e CO2.

 

BIOQUÍMICA

 

95

Formação do acetil-CoA CoA-SH NAD +

O

–

O C C

TPP, lipoato, FAD FA D

NADH

CO +

O

Complexo da piruvato-desidrogenase (E + E + E)

O

S-CoA C

CH

CH

Piruvato

Acetil-CoA     O     C     i    r     b    a     F       ©

∆G’ = –33,4 kJ/mol

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 634. (Adaptado).

O complexo da piruvato desidrogenase é composto de três enzimas diferentes: adi-hidrolipoil piruvato desidrogenase (etapa 1, 3,E 1E), ).a Cada di-hidrolipoil transacetilase (etapaprostético 2, E 2) e a desidrogenase (etapa enzima e coenzima ou grupo 3 possui um papel-chave na conversão da molécula de piruvato em acetil-CoA, conforme podemos observar na figura a seguir.

Conversão enzimática do piruvato à acetil-CoA +

NAD FAD SH

5

NADH + H

SH S

OH CO

CH

–

C

S

 TPP

O CH

C

Piruvato-desidrogenase (E)

S S

Lipoamida 2

O

Di-hidrolipoil-transacetilase (E)

O– Piruvato

CH

C

HS HS R 3

O

 TPP

C

FAD

R

Hidroxietil-TPP

1

Di-hidrolipoil-desidrogenase 4 (E)

+

S

O  

CH

C   S

CoA

Acetil-CoA

HS

CoA R

Acetil-di-hidrolipoamida

Fonte: VOET; VOET; PRATT, PRATT, 2014, p. 558. (Adaptado).

    O     C     i    r     b    a     F       ©

 

BIOQUÍMICA

 

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Na primeira etapa da reação, a molécula de piruvato é transferida para a tiamina pirofosfato (TPP), que está na E 1. Essa é uma reação de descarboxilação do piruvato, que liberará a primeira molécula de CO 2  da respiração celular e formará o hidroxietil-TPP. O grupamento acetila formado a partir da descarboxilação do piruvato e mais dois elétrons são transferidos para a forma oxidada do lipoato na enzima 2 (E ), formando acetil-di-hidrolipoamida. Na etapa seguinte, o grupamento acetila sofre2 uma reação de conjugação com uma coenzima A e é liberado do complexo na forma de acetil-CoA. Os dois estágios seguintes têm por função restituir as condições iniciais do complexo enzimático. Na quarta etapa, os dois elétrons e mais dois prótons do lipoato são utilizados para reduzir uma molécula de flavina adenina dinucleotídeo (FAD) à FADH2  na enzima di-hidrolipoil-desidrogenase (E 3). Por fim, no quinto estágio, o FADH2  transfere dois elétrons e um próton para a molécula de NAD +, reduzindo-o à NADH. Dessa forma, na reação de formação do acetil-CoA acetil-CoA,, além dessa molécula, são formados CO2 e NADH.

4.1.2 Regulação da piruvato desidrogenase A formação do acetil-CoA é regulada mediante o controle da atividade do complexo da piruvato desidrogenase. A regulação é essencial para que o produto dessa reação, o acetil-CoA, seja produzido na quantidade ideal, de acordo com as necessidades da célula. Essa regulação ocorre por meio dos produtos NADH e acetil-CoA e acontece de duas formas: alostericamente e por ligação covalente. Quando os níveis de NADH, ATP e acetil-CoA estão altos na célula, há uma inibição alostérica da piruvato desidrogenase. A regulação por modificação covalente acontece por fosforilação/desfosforilação. A fosforilação mediada por uma quinase induz inibiçãocom na aatividade piruvato desidrogenase. da atividade da enzimaà ocorre reação dedadesfosforilação, catalisada O poraumento uma fosfatase. A atividade da piruvato desidrogenase também pode ser mediada pela insulina, hormônio liberado pelo pâncreas em resposta ao aumento nos níveis de glicose no sangue. Nesse caso, a enzima piruvato fosfatase, estimulada pela insulina, remove o fosfato da piruvato desidrogenase e a ativará levando a formação de acetil-CoA (VOET; VOET; PRATT, 2014). A formação do acetil-CoA encerra a primeira fase da respiração celular. O segundo estágio inicia com a oxidação dessa molécula em uma via metabólica cíclica, denominada ciclo do ácido cítrico.

 

BIOQUÍMICA

 

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4.2 Segundo estágio da respiração celular No segundo estágio da respiração celular, ocorre a oxidação da molécula de acetil-CoA no ciclo do ácido cítrico, também chamado ciclo de Krebs ou ciclo dos ácidos tricarboxílicos. Este é uma via metabólica cíclica formada por uma série de reações enzimáticas. Sua função é oxidar o acetil-CoA oriundo da degradação de açúcares, lipídeos e proteínas, e formar transportadores de elétrons reduzidos (NADH e FADH 2), que posteriormente serão oxidados por meio da fosforilação oxidativa. Em uma via metabólica cíclica, como é a do ciclo do ácido cítrico, o composto inicial da via é regenerado após uma série de reações (NELSON; COX, 2014). Apesar de considerarmos que uma via cíclica não tem começo nem m denidos, para melhor entendimento, podemos fazer a seguinte armação: em uma via cíclica, o primeiro substrato será, após uma série ordenada de reações enzimáticas, convertido no último produto dela. A seguir, conheceremos passo a passo cada reação desse ciclo fundamental para o metabolismo dos organismos aeróbios.

4.2.1 O ciclo do ácido cítrico A primeira reação do ciclo ocorre com a condensação dos dois carbonos do grupamento acetila do acetil-CoA com uma molécula que tem quatro carbonos, o oxaloacetato. Observe atentamente a gura abaixo e perceba que os dois carbonos do acetil-CoA se unem aos quatro carbonos do oxaloacetato. Essa reação de condensação forma o citrato, molécula com seis carbonos. Nesse estágio, também é liberada a coenzima A.

Reação 1: formação do citrato ci trato O CH

C O

S-CoA Acetil–CoA

HO

CH

CoA-SH

C O

HO

+

C

–

COO–

Citrato–sintase O

C CH

COO– COO–

CH

COO–

Citrato

Oxaloacetato ∆G’ = –32,2 kJ/mol

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 640. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

98

Essa reação é catalisada pela enzima citrato sintase e libera grande quantidade de energia (∆G’0 = –32,2 kJ/mol), sendo, portanto, irreversível. Em uma via metabólica, o produto de uma reação será o substrato da próxima. O citrato formado na primeira reação do ciclo será o substrato da próxima etapa, originando seu isômero, o isocitrato. Essa reação, catalisada pela enzima aconitase, ocorre em duas etapas: na primeira etapa, o citrato origina o cis-aconitato mediante uma reação de desidratação (perda de uma molécula de água); na segunda etapa, ocorre uma reação de hidratação (entrada de uma molécula de água) para formação do isocitrato. É muito importante observar na gura a seguir, as mudanças que ocorrem no citrato após as duas reações.

Reação 2: formação do isocitrato i socitrato COO –

CH

HO HO H

C C

COO – COO –

Aconitase

CH

COO –

C

COO –

C

COO –

HO

CH   COO –

Aconitase

H

H

C

COO –

HO

C

H

H

COO –

cis–Aconitato

Isocitrato

Citrato     O     C     i    r     b    a     F       ©

∆G’ = 13,3 kJ/mol

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 641. (Adaptado).

À medida que o isocitrato é formado, ele será consumido na etapa seguinte do ciclo, originando o α-cetoglutarato. A formação do α-cetoglutarato ocorre por meio da descarboxilação do isocitrato, pela ação catalisadora da enzima isocitrato desidrogenase. Sendo assim, ocorre a saída da primeira molécula de CO 2 do ciclo e forma-se um produto com cinco carbonos, o α-cetoglutarato, conforme ilustra a figura a seguir.

Reação 3: formação do α-cetoglutarato α -cetoglutarato + NAD(P) CH

– COO

H

C

– COO

HO

C

– COO

H Isocitrato

  + NAD(P)H + H  

CH

– COO

CH isocitrato desidrogenase  

C

+

CO

– COO

O α Cetoglutarato ∆G’

=

–, kJ/mol

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 643. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

99

A enzima isocitrato desidrogenase é dependente de NAD +, que atua como receptora dos elétrons oriundos do isocitrato. Desse modo, na conversão de isocitrato, a α-cetoglutarato α-cetoglutara to é formada a molécula NADH, a forma reduzida do NAD+. A próxima reação, de formação do succinil-CoA, também envolve uma descarboxilação oxidativa. O α-cetoglutarato sofre descarboxilação e é oxidado a succinil-CoA. Para essa reação acontecer, é essencial uma molécula de coenzima A e NAD +. Os elétrons doados pelo α-cetoglutarato são transferidos para uma molécula de NAD+ que, por sua vez, é reduzido a NADH. Também é formada mais uma molécula de CO 2. Por isso, o succinil-CoA possui quatro carbonos. Essa reação é catalisada por um complexo enzimático chamado de α-cetoglutarato desidrogenase, muito semelhante ao complexo da pipi ruvato desidrogenase. Acompanhe na gura a seguir, a formação do succinil-CoA.

Reação 4: formação do succinil-CoA CoA–SH + NAD CH

– COO

CH NADH

+

CH

CH C

– COO

– COO

Complexo da α-Cetoglutarato–desidrogenase

O

α-Cetoglutarato

C

  CO

S–CoA

O

Succinil–CoA

∆G’ = –33,5 kJ/mol

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 644. (Adaptado).

Na quinta etapa do ciclo, o succinil-CoA é convertido a succinato pela ação da enzima succinil-CoA sintetase. A energia liberada pela quebra da ligação da coenzima A com o grupo succinil é transferida para a reação da guanosina difosfato (GDP) com o fosfato inorgânico (Pi), ocorrendo a formação de guanosina trifosfato (GTP). As células possuem duas isoformas da enzima succinil-CoA sintetase, uma dependente de GDP e outra de ADP. Quando a succinil-CoA sintetase é dependente de ADP, ocorre a formação de ATP como produto. Nessa reação, também ocorre a liberação de uma coenzima A reduzida. Veja na figura a seguir.

 

BIOQUÍMICA

 

100

Reação 5: formação do succinato – COO

CH

GDP + P¡

GTP

– COO

CoA–SH

CH

CH S–CoA

C

CH

Succinil-CoA-sintetase

– COO

O  

Succinil-CoA

Succinato

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 645. (Adaptado).

Na sexta etapa do ciclo, ocorre a formação de fumarato a partir da oxidação da molécula de succinato. A enzima que catalisa essa reação é chamada de succinato-desidrogenase e está ligada à membrana mitocondrial interna. Essa enzima é dependente de flavina adenina dinucleotídeo (FAD), que atua como receptora dos elétrons oriundos do succinato. Quando o FAD recebe os elétrons e os prótons do succinato, tem-se o FADH2 (forma reduzida) e o succinato é oxidado a fumarato.

Reação 6: formação do fumarato FAD

FADH

COO–

COO–

H

H

C

H

H

C

H

COO– Succinato

  Succinato-desidrogenase

C C

–  

OOC

H

Fumarato

∆G’ 0 kJ/mol =

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 646. (Adaptado).

Na penúltima etapa do ciclo, ocorre a formação do malato a partir do fumarato. Essa é uma reação de hidratação, que envolve a entrada de uma molécula de água a ser catalisada pela enzima fumarase. Acompanhe na figura a seguir como ocorre a formação do malato.

 

BIOQUÍMICA

 

101 10 1

Reação 7: formação do malato m alato – COO

– COO

HO  

CH

HO

Fumarase  

HC

CH HC

H

– COO

– COO Fumarato

L– Malato

∆G’ –3,8 kJ/mol =

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 647. (Adaptado).

A última reação do ciclo do ácido cítrico envolve a formação do oxaloacetato. A enzima malato-desidrogenase é dependente de NAD+. Os elétrons e os prótons do malato são doados para o NAD+ e formam o NADH, que é a espécie reduzida. Portanto, o oxaloacetato é a forma reduzida do malato. Dessa forma, o primeiro substrato do ciclo, o oxaloacetato, é formado na última reação e é rapidamente consumido pela reação seguinte, de condensação, com mais uma molécula de acetil-CoA.

Reação 8: formação do oxaloacetato COO– HO

C CH

+

NAD

NADH + H

COO–

+

H

O L-Malato-desidrogenase

 

COO– L-Malato

C CH COO– Oxaloacetato ∆G 29,7 kJ/mol  =

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 647. (Adaptado).

Uma pergunta importante a ser feita é: de que maneira o ciclo mantém constante o número de átomos de carbono? A cada volta completa, entram dois novos carbonos na forma de grupamento acetila, doados pelo acetil-CoA. Se esses carbonos não saíssem do ciclo a cada volta, novos intermediários seriam formados e o ciclo não existiria. Assim, existem duas reações de descarboxilação que envolvem a saída de moléculas de CO2. Portanto, a resposta para a pergunta anterior é: o número de carbonos é mantido constante, pois a cada volta saem dois deles na forma de dióxido de carbono.

Entenda melhor na figura a seguir.

 

BIOQUÍMICA

 

102

Visão geral do ciclo do ácido cítrico Ácidos graxos

Glicose

Corpos cetônicos

Piruvato CO

Acetato

+

NADH + H

Aminoácidos

Acetil-CoA AcetilCoA

CoASH

Oxaloacetato (4c)

Citrato (6c) Malato (4c) Fumarato (4c)

FADH2

Isocitrato (6c) Ciclo dos ácidos tricarboxílicos (TCA)

NADH + H Succinato (4c)

+

CO α-Cetoglutarato α-Cetoglutarat o (5c)

GTP GDP

Succinil+ CoA NADH + H (4c) CO

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: SMITH; MARKS; LIEBERMAN, 2007, p. 360. (Adaptado).

A partir da visão geral do ciclo, é possível perceber que a cada entrada de uma molécula de acetil-CoA são formadas três de NADH, uma de FADH 2 e uma de GTP ou de ATP. No terceiro e último estágio da respiração celular, veremos de que maneira a célula converte essas moléculas transportadoras de elétrons em energia química (ATP).

4.2.2 Regulação do ciclo do ácido cítrico A formação das moléculas transportadoras de elétrons e a oxidação de acetil-CoA pelo ciclo do ácido cítrico são reguladas principalmente pelos níveis de NADH e ATP celular. A regulação do ciclo ocorre, especialmente, por meio da formação do acetil-CoA e pela sua entrada no ciclo. Além disso, as enzimas citrato-sintase, isocitrato desidrogenase

e α-cetoglutarato desidrogenase também são reguladas.

 

BIOQUÍMICA

 

103

Lembre que a reação inicial do ciclo do ácido cítrico é uma reação de condensação entre o acetil-CoA e o oxaloacetato. Na sequência, formam-se citrato, isocitrato, α-cetoglutarato, succinil-CoA, malato e, por m, oxaloacetato. Agora, observe atentamenatentamen te a gura a seguir, especicamente as três reações catalisadas pelas enzimas citrato sintasinta se, isocitrato desidrogenase e α-cetoglutarato desidrogenase. Esses são Esses são os três pontos de regulação do ciclo. Altos níveis de NADH, succinil-CoA, citrato e ATP inibem a enzima citrato sintase ao passo que o ADP ativa a mesma enzima. Da mesma forma, a enzima isocitrato desidrogenase é inibida pelo ATP e ativada pela presença de cálcio e ADP. Por m, a terceira enzima que regula o ciclo do ácido cítrico é a α-cetoglutarato desidrogenase, que é inibida pelos altos níveis de succinil-CoA e NADH e é ativada pelo cálcio.

Regulação do ciclo do ácido cítrico Piruvato ATP, acetil-CoA ATP, a cetil-CoA NADH, ácidos graxos

Complexo da piruvirato-desidrogenase

+

+

AMP,, CoA, NAD , Ca AMP

Acetil-CoA NADH, succinil-CoA, citrato, ATP ADP

citrato-sintase

Citrato Oxaloacetato

Ciclo do ácido cítrico

Malato-desidrogenase

NADH

Isocitrato ATP

Isocitrato desidrogenase

Ca+ADP

Malato Complexo da α-Cetoglutarato-desidrogenase

FADH

α-Cetoglutarato Succinil-CoA, NADH

Succinato-desidrogenase

GTP (ATP)

Succinil-CoA

+

Ca

Inibição Ativação

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 654. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

104

De maneira geral, o ciclo do ácido cítrico é regulado por três fatores: disponibilidade de substrato para que o ciclo ocorra; inibição pelos produtos acumulados durante as reações; inibição alostérica das enzimas que catalisam as principais reações. Esse ciclo é extremamente eficiente na conversão da energia contida na molécula de acetil-CoA em outras formas de energia (moléculas transportadoras de elétrons e ATP). Essa conversão é de aproximadamente 90% da energia total do acetil-CoA (SMITH; MARKS; LIEBERMAN, 2007).

4.2.3 Reações anapleróticas O ciclo do ácido cítrico possui um papel central no metabolismo celular e, portanto, não pode ser interrompido devido à falta de intermediários. O termo anapleróticos anapleróticos   resulta do grego ana, que signica para cima, e  plerotikos , que pode ser traduzido como preencher (VOET; VOET; PRATT, 2014). Portanto, a função das reações anapleróticas é repor,, preencher os intermediários repor inter mediários do ciclo desviados para outras outr as vias metabólicas. Entre as reações anapleróticas, a mais importante é a que produz oxaloacetato a partir do piruvato, reação esta indicada pelo número 1 na gura a seguir. Essa reação é catalisada pela enzima piruvato carboxilase e ocorre quando há uma redução nos níveis de oxaloacetato. Com a diminuição de oxaloacetato, há um aumento de acetil-CoA, o que estimula a enzima piruvato carboxilase a produzir oxaloacetato. A piruvato carboxilase está em grande quantidade nos tecidos que fazem a gliconeogênese, como o fígado e o córtex renal. Além do oxaloacetato, outros intermediários poderão ser adicionados ao ciclo, como o α-cetoglutarato, por meio de reações de transaminação (reação número 2); o succinil-CoA, proveniente da degradação de alguns aminoácidos e ácidos graxos de cadeia ímpar (reação número 3); o fumarato que pode ser formado a partir de aminoácidos. Essas reações estão demonstradas na figura a seguir.

 

BIOQUÍMICA

 

105 10 5

Reações anapleróticas no ciclo do ácido cítrico Carboidratos Aminoácidos

Ácidos graxos Aminoácidos

Piruvato CO Acetil-CoA ATP

1

ADP + P¡ Citrato

Oxaloacetato Aspartato 5

Isocitrato Malato Aminoácidos CO

4 Aminoácidos

TA Fumarato

α-Cetoglutarato CO

Succinato

Succinil-CoA

Glutamato GDH

2

NADH

NAD

+

+

NH 3 Valina isoleunica

 

Propi Pr opioni onil-C l-CoA oA

Ácidos Áci dos gra graxo xoss de cad cadeia eia ímp ímpar ar

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: SMITH; MARKS; LIEBERMAN, 2007, p. 376. (Adaptado).

As reações anapleróticas são fundamentais para permitir que o ciclo do ácido cítrico não seja interrompido devido à falta de intermediários e, consequentemente, a produção de ATP não seja prejudicada.

4.2.4 Papel anabólico do ciclo O ciclo do ácido cítrico desempenha um papel essencial no catabolismo de açúcares, lipídeos e proteínas, pois é fundamental no processo de oxidação do acetil-CoA e na formação de moléculas transportadoras de energia (NADH e FADH2). Entretanto, possui também uma importante função anabólica. Ou seja, a partir dele, novos compostos tais como glicose, aminoácidos, ácidos graxos, neurotransmissores e o grupo heme ser formados. Desse modo,dizer como ciclo possui esses dois importantes papéis,podem catabólico e anabólico, podemos queo ele é anfibólico.

 

BIOQUÍMICA

 

106

Para exemplificar o papel anabólico do ciclo do ácido cítrico, observe a figura a seguir. Quando os níveis de ATP na célula estão elevados, naturalmente haverá uma inibição do ciclo, com acúmulo de citrato. O citrato é então desviado para a produção de ácidos graxos. Para tanto, ele sai da mitocôndria por intermédio de transportadores específicos e origina o acetil-CoA e o oxaloacetato no citosol por meio da ação da enzima citrato liase. Esse acetil-CoA será utilizado nas reações de síntese de ácidos graxos.

Papel anabólico do ciclo do ácido cítrico cít rico Acetil-CoA

Síntese de aminoácidos

Gliconeogênese

Oxaloacetato

Citrato

Síntese de ácidos graxos

Ciclo do  TCA

Malato

α-Cetoglutarato Succinil-CoA

Síntese de aminoácido

Neurotransmissores (Cérebro)

síntese de heme

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: SMITH; MARKS; LIEBERMAN, 2007, p. 374. (Adaptado).

Para a formação de aminoácidos, os intermediários do ciclo – oxaloacetato e α-cetoglutarato – também podem ser utilizados. O oxaloacetato pode formar glutamaglutamato e o α-cetoglutarato pode ser convertido em aspartato aspar tato (VOET ( VOET;; VOET; PRATT, PRATT, 2014). 2014). Com a oxidação do acetil-CoA e a formação dos transportadores de elétrons (NADH e FADH2), encerra-se o segundo estágio da respiração celular. Veremos a seguir como a célula utiliza esses transportadores para produzir ATP.

4.3 Fosforilação oxidativa A fosforilação oxidativa é o estágio final da produção de ATP nos organismos aeróbicos. A mitocôndria, mais especificamente a membrana interna mitocondrial, é o sítio da fosforilação oxidativa. Todos os passos do catabolismo de carboidratos, lipídeos e proteínas confluem para esse ponto em comum. Nesse estágio, as molécu-

las transportadoras de elétrons, NADH e FADH2 , são oxidadas.

 

BIOQUÍMICA

 

107

No entanto, para entendermos a fosforilação, é essencial um breve relato sobre a estrutura mitocondrial. A mitocôndria possui duas membranas: uma externa e outra interna. O espaço entre elas se chama espaço intermembranas. A membrana externa possui como característica uma alta permeabilidade a eletrólitos e moléculas pequenas (Mw < 5000). A interna é altamente invaginada e impermeável à maioria dos íons, sendo que os compostos que entram ou saem da matriz mitocondrial o fazem exclusivamente por meio de transportadores (ALBERTS   et al ., ., 2011). Na membrana mitocondrial interna estão localizados os complexos mitocondriais (I, II, III e IV) além do complexo ATP sintase (F0F1).

Estrutura mitocondrial Espaço intermembranas

Complexos FF Cristas

Membrana externa

0,1~0,5 m

Junções das cristas Membrana interna Matriz

1~2 m

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: LODISH et al ., ., 2014, p. 527. (Adaptado).

Desse modo, a membrana externa está delimitada pelo citosol e pelo espaço intermembranas, ao passo que a interna separa o espaço intermembranas da matriz. Na mitocôndria, ainda há um conjunto de complexos enzimáticos e proteínas transportadoras de elétrons, chamado de cadeia respiratória. A seguir veremos com mais detalhes como ocorre o transporte de elétrons através da cadeia respiratória mitocondrial.

4.3.1 Cadeia respiratória e ATP sintase

A cadeia respiratória mitocondrial é o sítio final de produção de ATP. Ela é for mada por uma série de transportadores de elétrons que agem em sequência, pela

 

BIOQUÍMICA

 

108

transferência de um ou dois elétrons (NELSON; COX, 2014). Além dos carregadores de elétrons NADH e FADH2 , a cadeia respiratória também tem outros transportadores: as proteínas que contêm ferro e a quinona lipofílica, ubiquinona. As proteínas são de dois tipos: os citocromos e as proteínas ferro-enxofre. Os primeiros apresentam grupo prostético heme, que contém ferro em seu centro, e é classicado em a, b e como c, de acordo com seu espectro de absorção no ultravioleta. Nas proteínas ferro-enxofre, por sua vez, o átomo de ferro não está associado ao grupamento heme, mas ligado a um átomo de enxofre, associado ou não, ao aminoácido cisteína. Em ambos os tipos, o ferro participa das transferências transferências de elétrons, recebendo-os (redução) (redução) ou doando-os (oxidação). Veja na gura a seguir, as proteínas da cadeia respiratória que contém ferro.

Proteínas que contêm ferro Proteína Cys

CH3 CH2   ( CH2

CH   C

HO   CH

4

N

CH

CH2

CH

 

CH3

CH

H3C

N Fe

HC

CH2

CH3

CH3

3

1

O

Cys

3

CH3

2

H3C

S

CH2 ) H

N

CH N

3+

5 7

CH3

CH

N Fe

N

H3C N

3+

N

8

CH2

N

N

3+

N

H3C

CH3

CH3

N Fe

HC

S

CH3

6

CH2

 

CH2

CH2

 

CH2

CH2

 

CH2

CH2

 

CH2

CH2

 

CH2

CH2

 

CH2

COO–

COO–

COO–

COO–

COO–

Heme a

Heme b (Ferro-protoporfirina IX) (Ferro-protoporfirina

COO–

Heme c

Citocromos Cys

S2

–

Cys

Cys

S2–

Cys Fe

Fe

Fe

Cys S2

–

S2– [2Fe – 2S]

Fe

S2

Fe

–

Cys

S2

Proteínas ferro-enxofre

–

Fe

Cys [4Fe – 4S]

Cys

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: VOET; VOET; PRATT, 2014, p. 591 e 597. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

109

A ubiquinona (ou coenzima Q) é uma benzoquinona extremamente lipofílica que possui a capacidade de transportar um elétron (semiquinona) ou dois elétrons (ubiquinol). Devido à alta lipossolubilidade, é capaz de se difundir pela membrana mitocondrial interna e fazer o transporte dos elétrons entre os outros carreadores que não apresentam a mesma mobilidade. Na figura a seguir, é possível identificar os estados de oxidação da ubiquinona.

Estados de oxidação da ubiquinona O

CH3 (CH2 CH

CH3O

CH3O

CH3

C

CH2)10  H Ubiquinona (Q) (totalmente oxidada)

O H+ + e

–

O CH3O

R

CH3O

CH3

Radical semiquinoona (*QH)

OH H+ + e

–

OH CH3O

R

CH3O

CH3

Ubiquinol (QH2) (totalmente reduzido)

OH

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 735. (Adaptado).

Emcomplexos relação aosmultienzimáticos transportadoresdenominados de elétrons da cadeia respiratória, se organizam em Complexos I, II, III e IV.eles Todos, exceto o Complexo II, são transmembranas, ou seja, possuem uma face voltada para o lado ex-

terno (espaço intermembranas) e outra para o lado interno, na matriz mitocondrial.

 

BIOQUÍMICA

 

110

Cadeia respiratória mitocondrial

4H+

+

+

4H Cyt e1

Espaço intermembrana Q FMN e–

FeS

NADH + H+

CuA

e– Complexo II

NAD+ Su Succci cina nato to

Cyt α

Cyt bL

Cyt α3 - CuB

Cyt bH

Complexo I Matriz

Cyt e

FeS

FeS Membrana mitocondrial interna

2H

Complexo III

1/2 O2 + 2H+ H2O

Complexo IV

Fura rama matto

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: VOET; VOET; PRATT, 2014, p. 591. (Adaptado). (Adap tado).

Além dos complexos da cadeia respiratória, a membrana interna mitocondrial também é o local deproteína um complexo denominado ATP sintase (ou complexo FoF1), que também é uma transmembrana, possuindo a função de sínteseV,deouATP. A ATP sintase apresenta duas porções, uma inserida na membrana mitocondrial interna, denominada Fo (o de oligomicina, um inibidor dessa fração), e a porção F 1, que está voltada para a matriz.

ATP sintase si ntase Matriz β δ

 α

α

β

β  α F1 Cabeça

b2 H+  γ

a

C1

C2

C3 C4

C5

H+ Lado citoplasmático

F0 Poro

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: SMITH; MARKS; LIEBERMAN, 2007, p. 383. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

111

Agora que já conhecemos a estrutura da cadeia respiratória, veremos de que maneira a transferência de elétrons por meio dos complexos enzimáticos e carreadores está relacionada à síntese sínte se do ATP TP..

4.3.2 Transferência de elétrons do Complexo I ao Complexo IV O Complexo I, também conhecido como complexo da NADH: ubiquinona óxido-redutase ou NADH desidrogenase, é formado por um conjunto de coenzimas e grupos prostéticos transportadores de elétrons, entre os quais estão as proteínas ferro-enxofre e a coenzima flavina mononucleotídeo (FMN). A transferência de elétrons pelo Complexo I inicia-se a partir da doação de dois elétrons do NADH, que seguirão pelos diversos transportadores até chegar na ubiquinona. Esse trajeto acontece em diversas etapas e obedece a uma ordem crescente de potencial de redução, ou seja, do menor para o maior. Algo importante a se observar é que a transferência desses dois elétrons do NADH até a ubiquinona por meio do Complexo I constitui um processo acoplado à translocação de quatro prótons (H+) da matriz mitocondrial para o espaço intermembranas. A ubiquinona, após receber dois elétrons e converter-se a ubiquinol, transferirá os elétrons pelo Complexo III (ubiquinona: citocromo C   óxido-redutase) até o citocromo C . Eles passam pelo Complexo III também por diferença de potencial de redução e esse processo está acoplado ao bombeamento simultâneo de 4H + da matriz para o espaço intermembranas. Em seguida, esses elétrons serão transferidos pelo Complexo IV (ou citocromo c oxidase) oxidase) até chegarem à molécula de oxigênio e ocorrer a redução dessa molécula com consequente formação de água. Durante essa transferência, ocorre o bombeamento de 2H+ da matriz para o espaço intermembranas.

O cianeto é um veneno tóxico encontrado na natureza. Isso decorre da ligação na citocromo c-oxidase. Com isso, a cadeia respiratória e a produção de ATP são bloqueadas, ocasionando morte celular. O gás cianeto foi usado na II Guerra Mundial como arma de extermínio e nos campos de concentração.

Somando-se os quatro prótons bombeados do Complexo I, os quatro do Complexo III e 2H+ do Complexo IV, a transferência dos elétrons do NADH bombeia 10H +.

 

BIOQUÍMICA

 

112

4.3.3 Transferência de elétrons do Complexo II ao Complexo IV Vimos a maneira pela qual os elétrons transportados pelo NADH são transferidos pela cadeia respiratória até o oxigênio. Entretanto, durante os processos catabólicos é formada, além do NADH, a molécula transportadora de elétrons FADH 2. Mas como acontece a transferência dos elétrons do FADH2? Ela ocorre por meio do Complexo II  II  ou succinato desidrogenase ou succinato: ubiquinona óxido-redutase. Esse complexo é o único que não é transmembrana e está voltado unicamente para a matriz mitocondrial. Ele também possui um local de ligação para o succinato. Durante a oxidação do succinato para fumarato transferirá dois elétrons para uma molécula de FAD e será convertido a FADH2. Este, por sua vez, transferirá esses elétrons para os centros Fe-S até chegar à ubiquinona e formar o ubiquinol.

Quando estudamos o ciclo do ácido cítrico, chamamos o Complexo II de succinato desidrogenase. Portanto, esse complexo é parte integrante do ciclo do ácido cítrico e da cadeia respiratória mitocondrial.

Diferentemente do que ocorre com os demais complexos, não existe um bombeamento de prótons no Complexo II. Assim, quando os elétrons entram na cadeia respiratória via Complexo II, ocorre um bombeamento de quatro prótons pelo Complexo III e 2H+  do Complexo IV, totalizando 6H +. Na figura a seguir, podemos observar a transferência de elétrons na cadeia respiratória mitocondrial.

Transferência de elétrons na cadeia respiratória mitocondrial Succinato

Fumarato

o II exo plex omp Com oQ -CoQ ato to-C ina ccin succ su e ase utas red edu NADH + H

1/2 O2 + 2H+

+

Cit. c 

Q NAD

H2O Complexo I NADH-CoQ

Complexo III CoQ-cit. c 

Complexo IV Cit. c 

oxidorredutase

oxidorredutase

oxidase

Fonte: MURRAY et al ., ., 2013, p. 123. (Adaptado).

    O     C     i    r     b    a     F       ©

 

BIOQUÍMICA

 

113

Vimos que a transferência dos elétrons oriundos do NADH e FADH 2 gera, necessariamente, o bombeamento de prótons para o espaço intermembranas, pois esses dois processos são acoplados. Entretanto, ainda não ocorreu a síntese do ATP, que é o objetivo principal da respiração celular. A teoria quimiosmótica, proposta por Peter Mitchel, explica de que maneira o bombeamento dos prótons está relacionado à síntese de ATP (NELSON; COX, 2014). É o que detalharemos a seguir.

4.3.4 Teoria quimiosmótica A energia derivada da transferência dos elétrons por meio da cadeia respiratória é utilizada para o bombeamento de prótons, da matriz para o espaço intermembranas. Esses prótons se acumulam no espaço intermembranas e geram a força próton-motriz, gerada por dois componentes: um elétrico e outro químico. O primeiro é originado da diferença de cargas, pois os prótons são positivos e seu acúmulo no espaço intermembranas gerará um excesso de cargas positivas em detrimento da matriz, que cará com carga negativa. Essa diferença de cargas c argas originará uma diferença de potencial elétrico (ΔΨ). Outro componente da força próton-motriz é a energia potencial química, originada da diferença de pH apresentada entre a matriz e o espaço intermembranas. O acúmulo de H+  nesse espaço deixará a região ácida, ao contrário da matriz mitocondrial, que ficará alcalina e formará uma diferença de potencial químico (ΔpH). Assim, a somatória desses dois potenciais origina a força próton-motriz. Os dois componentes geradores estão demonstrados na figura a seguir.

Geração da força f orça próton-motriz +

ESPAÇO INTERMEMBRANAS Membrana mitocondrial interna

H ++++++++

Força próton-motriz resultante de

Potencial de membrana

∆V ––––––––

MATRIZ H

+

pH 7

ESPAÇO INTERMEMBRANAS Membrana mitocondrial interna

Força próton-motriz resultante de

H

+ + H H H+ + + + + + H H H H H H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+

+

Gradiente de H+

∆pH +

H

MATRIZ H

+

H+ pH 7,5

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: ALBERTS et al ., ., 2011, p. 462. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

114

Porém, qual é a relação da força próton-motriz com a síntese de ATP? A força próton-motriz direciona o retorno dos H + para a matriz mitocondrial por meio da porção Fo da ATP sintase. Essa hipótese foi proposta em 1961 por Paul Mitchell e é a mais aceita para explicar a maneira pela qual a energia da transferência dos elétrons é utilizada na síntese do ATP (NELSON; COX, 2014 2014). ). Quando os prótons saem do espaço intermembranas em direção à matriz, impulsionados pela força próton-motriz, ocorre a liberação da energia necessária para induzir uma alteração conformacional da porção F 1 catalítica, responsável por unir uma molécula de ADP e outra de Pi, formando ATP. ATP. O modelo está detalhado na gura  gura a seguir.

Modelo quimiosmótico Cit c 

Espaço intermembrana (lado P) 4H+ ++ + + + I – – – – Matriz (lado N)

4H+ + + + + + + ++ Q

2H+

QH2

II

– –

2H+

++

QH2

+++++++ ++++++++ IV

III

– –

FO – – – – –

– 2H+ +1/2 O2 H2O

NAD+

Succinato

NADH + H+

Fumarato

H+

 

H+

n

– – – – – F1

ADP +P1 ATP

2H+

Força próton–motriz Potencial químico ∆pH

+

(alcalino no lado interno)

Potencial elétrico ∆Ψ (negativo no lado interno)

Síntese de ATP impulsionada pela força próton-motriz

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 748. (Adaptado).

Para que a síntese do ATP ocorra, é essencial que os prótons retornem à matriz mitocondrial e, dessa forma, impulsionem a síntese pela ATP sintase, por meio da força próton-motriz. Esta só será gerada a partir do acúmulo de prótons no espaço intermembranas, que, por sua vez, só serão bombeados quando ocorrer o transporte de elétrons através da cadeia respiratória. A fonte desses elétrons são as moléculas transportadoras NADH e FADH 2, geradas durante as reações de degradação dos substratos energéticos (carboidratos, lipídeos e proteínas) e da oxidação do acetil-CoA no ciclo do ácido cítrico. Portanto, a respiração celular encerra com a síntese do ATP. Após estudarmos os três estágios da respiração, veremos a seguir, o rendimento energético da degradação de uma molécula de glicose.

 

BIOQUÍMICA

 

115

4.4 Rendimento energético Para realizar o cálculo do rendimento energético da degradação de uma molécula de glicose, é necessário computar todas as moléculas de ATP formadas desde o início da respiração celular. Devemos lembrar que a oxidação do NADH gera mais ATP do que a oxidação do FADH2. Por que isso acontece? Porque a transferência dos elétrons do NADH inicia no Complexo I; portanto, é realizado o bombeamento de dez prótons. Já os elétrons do FADH2 entram via Complexo II e geram a translocação de apenas 6H +. Como vimos anteriormente, esse gradiente de prótons é necessário para gerar a força próton-motriz e a síntese de ATP. Assim, quanto mais prótons forem bombeados, maior a força e, consequentemente, sequentemen te, a produção pro dução do ATP TP.. Portanto, o cálculo do rendimento em ATP da degradação de uma molécula de glicose deve considerar o número de ATP e das moléculas transportadoras de energia NADH e FADH2 na glicólise, na conversão de piruvato em acetil-CoA e no ciclo do ácido cítrico. Esses cálculos serão demonstrados a seguir.

4.4.1 Número de ATPs A via glicolítica produz, além dos piruvatos, dois ATPs e dois NADH no citosol. A conversão do piruvato à acetil-CoA gera mais uma molécula de NADH. No entanto, cada glicose gera dois piruvatos. Por isso, nesse estágio, há a formação de dois NADH  já na mito mitocôndr côndria. ia. Cada acetil-CoA gera uma volta completa no ciclo do ácido cítrico e forma três NADH, um GTP (ATP) e um FADH 2. Assim, como são duas voltas, obtém-se 6 NADH, 2 GTP (ATP) e 2 FADH2 para cada molécula de glicose. Considerando transferência do NADH via lançadeira malato-aspartato, que será abordada na sequência, e equivalência energética de GTP e ATP, temos ao final do segundo estágio da respiração: 10 NADH, 2 FADH2 e 4 ATPs. Sabendo que cada NADH gera 2,5 ATPs durante seu processo de oxidação na cadeia respiratória e que cada FADH2 gera 1,5 ATP, a conta fica assim: 10 NADH + 2 FADH 2 + 4 ATPs 10 (2,5 (2, 5 ATPs) ATPs) + 2 (1,5 ATPs) + 4 ATPs 25 ATPs + 3 ATPs + 4 ATPs = 32 ATPs A ilustração a seguir demonstra o rendimento energético da degradação de uma molécula de glicose.

 

BIOQUÍMICA

 

116

Cálculo do número de ATPs formados na degradação da glicose Glicose

2 NADH

5 ATP

2 ATP 2 Piruvato

2 NADH

5 ATP

6 NADH

15 ATP

2 NADH2

3 ATP

2 Acetil-CoA

2 GTP

2 ATP

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: VOET; VOET; PRATT, 2014, p. 569. (Adaptado). (Adap tado).

Quando fazemos o cálculo do número de ATPs gerados pela degradação da glicose, utilizamos os 2 NADH formados durante a via glicolítica. Entretanto, a glicólise é uma via metabólica citosólica. Portanto, esses 2 NADH não são formados na mitocôndria. Outras informações importantes são o fato de o Complexo I aceitar elétrons unicamente NADH presente na matriz e da membrana mitocondrial interna ser impermeável permeáv el aodoNADH. Como a célula consegue transportar esse NADH citosólico para o interior da mitocôndria? Por meio das lançadeiras malato-aspartato e glicerol-fosfato. O funcionamento dessas lançadeiras será descrito a seguir.

4.4.2 Lançadeira malato-aspartato Durante a degradação dos carboidratos, ocorre a formação de moléculas de NADH no citosol da célula. Essas moléculas transportadoras doarão seus elétrons para o Complexo I da cadeia respiratória mitocondrial para que ocorra a fosforilação oxidativa. Para que isso aconteça, é necessário que ocorra a entrada dos NADH citosólicos na matriz. Entretanto, a membrana mitocondrial interna é impermeável ao NADH, o

que impossibilita sua entrada sem o auxílio de um mecanismo de transporte específico. Esse transporte acontece por meio de uma lançadeira malato-aspartato.

 

BIOQUÍMICA

 

117

Nesse sistema, o NADH citosólico doa seus elétrons e prótons a uma molécula de oxaloacetato, que, por sua vez, é reduzida a malato pela ação catalítica da malato desidrogenase. O malato, conduzindo os elétrons oriundos do NADH citosólico, consegue entrar na mitocôndria por meio de um transportador especíco, o malato-αcetoglutarato. No interior da mitocôndria, doa seuspela elétrons para uma molécula de NAD +, que é reduzida a NADH em reação ele catalisada malato desidrogenase mitocondrial. O oxaloacetato passa por reações de transaminação e retorna para o espaço intermembranaa na forma de aspartato através dos transportadores glutamato-aspartato. termembran

Lançadeira malato-aspartato Espaço intermembrana OH

 Transportador de malato-α-cetoglutarato OH

–

OOC – CH2 – C – COO–

+

NAD H+ + NADH –

OOC – CH2 – C – COO – NAD+ H Malato

H Malato

OOC – CH2 – C – COO NH3+ Oxaloacetato – OOC – CH2 – CH2 – C – COO – H Glutamato Aspartato aminotransferase α-Cetoglutarato O –

OOC – CH2 – CH2 – C – COO –

NH3 –

–

Malato desidrogenase NH3+

Malato desidrogenase

O –

+

Aspartato –

OOC – CH2 – C – COO  Transportador de H glutamato-aspartato

Matriz

NADH + H+

O

–

OOC – CH2 – C – COO –

–

OOC – CH2 – CH2 – C – COO – Oxaloacetato H Glutamato Aspartato aminotransferase

α-Cetoglutarato O –

OOC – CH2 – CH2 – C – COO –

Aspartato

NH3+

–

OOC – CH2 – C – COO– H

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 758. (Adaptado).

A lançadeira malato-aspartato está presente nas mitocôndrias de rim, fígado e coração. Em outros tecidos, como o muscular, e no cérebro, existe outro sistema capaz de fazer o transporte de NADH citosólico para a matriz mitocondrial. Esse transporte é chamado de lançadeira glicerol-fosfato.

4.4.3 Lançadeira glicerol-fosfato Outra maneira de fazer o transporte do NADH citosólico para a matriz é por meio da lançadeira glicerol-fosfato. Ela está presente em mitocôndrias de tecido cerebral e

    O     C     i    r     b    a     F       ©

muscular esquelético.

 

BIOQUÍMICA

 

118

Nesse tipo de transporte, o NADH presente no citosol transferirá seus elétrons para a diidroxiacetona-fosfato e formará glicerol-3-fosfato. Este atravessa a membrana externa e transferirá seus elétrons para o FAD presente no Complexo II. Dessa forma, quando os elétrons entram na cadeia respiratória, não ocorre a passagem pelo Complexo I, sendo bombeados quatro prótons a menos. No cálculo do rendimento energético nesses tipos celulares, os 2 NADH da via glicolítica bombardearão menos prótons e gerarão menos ATP (1,5 ATP). Nesse caso, a conta de rendimento fica assim: 8 NADH mitocondriais + 2 NADH citosólicos + 2 FADH 2 + 4 ATP = 8 (2,5 (2 ,5 ATPs) + 2 (1,5ATPs) + 2 (1,5 (1, 5 ATPs) ATPs) + 4 ATPs 20 ATPs + 3 ATPs + 3 ATPs = 30 ATPs. A lançadeira glicerol-fosfato está ilustrada a seguir.

Lançadeira glicerol-fosfa glicerol-fosfato to Membrana

Citosol NAD+

NADH + H+

externa

Membrana

Mitocôndria

Glicerol-3-fosfato

Glicerol-3-fosfato

Glicerol-3-fosfato Desidrogenase (Citosólica)

Glicerol-3-fosfato Desidrogenase (Mitocondrial)

diidroxiacetona-fosfato

diidroxiacetona-fosfato

interna

FAD

FADH2

Cadeia respiratória

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: MURRAY et al ., ., 2013, p. 130. (Adaptado).

Portanto, dependendo do tecido, o rendimento energético da degradação de uma molécula de glicose pode variar entre 30 e 32 ATPs. Nesse capítulo, aprendemos que o objetivo principal da respiração celular é a formação do ATP e que, para isso, é necessária a presença de oxigênio. Durante a respiração celular, o oxigênio é consumido e forma-se CO 2 como produto. A fonte da energia utilizada para a produção do ATP são os substratos energéticos obtidos pela dieta e, para que essa molécula seja formada, são necessários três estágios. No primeiro, ocorre a formação do acetil-CoA, que, na segunda etapa, será oxidado no ciclo do ácido cítrico para a formação dos transportadores de elétrons NADH e FADH2 . Por fim, no

terceiro estágio, ocorre a oxidação do NADH e FADH 2 na cadeia respiratória mitocondrial com a consequente formação do ATP.

 

BIOQUÍMICA

 

119

Referências ALBERTS, B. et al . Fundamentos da Biologia Celular. 3. ed. Porto Alegre: Artmed, Ar tmed, 2011. LODISH, H. et al . Biologia Celular e Molecular. 7. ed. Porto Alegre: Artmed, 2014. MURRAY, R. K. et al . Bioquímica Ilustrada de Harper. 29. ed. Porto Alegre: AMGH/ Artmed, 2013. NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 201 2014. 4. SMITH, C.; MARKS, A. D.; LIEBERMAN, M. Bioquímica Médica Básica de Marks : uma abordagem clínica. 2. ed. Porto Alegre: Artmed, 2007. VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W. Fundamentos de Bioquímica: a vida em nível molecular. 4. ed. Porto Alegre: Artmed, 2014.

 

5 Metabolism Metabolismoo de carboidratos Os carboidratos são fontes de energia preciosas para todos os organismos. A glicose é o principal combustível utilizado para gerar adenosina trifosfato (ATP) em quase todas as células. Paradaalgumas paratestículos tecidos de mamíferos, como nervoso e os embrionários, além medula delas renal,edos e das hemácias, esseo monossacarídeo é a única ou a fonte preferencial de energia. Por esse motivo, a taxa de açúcar no sangue, chamada de glicemia, deve ser mantida muito bem regulada. Nos animais, a glicose é armazenada em forma de glicogênio em vários tecidos, principalmente no fígado e no músculo estriado esquelético. Porém, o estoque de glicogênio é limitado. Por isso, é necessário outro metabolismo para auxiliar no controle da glicemia, produzindo glicose a partir de combustíveis que não são carboidratos. Esse metabolismo é a gliconeogênese, que veremos mais detalhadamente a seguir.

5.1 Gliconeogênese O processo de gliconeogênese dos mamíferos ocorre principalmente em dois órgãos: no fígado fígado e  e nos rins rins.. O fígado é o órgão mais importante para esse metabolismo e, em menor proporção, a medula renal. No entanto, a gliconeogênese não é exclusiva de mamíferos, ocorrendo também em outros animais, vegetais, fungos e micro-organ micro-organismos. ismos.

O fígado é o órgão mais importante no controle glicêmico. Ele é responsável por aproximadamente 90% da gliconeogênese, ao passo que os rins contribuem com apenas 10% desse processo.

A glicose produzida pela gliconeogênese nos animais é liberada para o sangue com a finalidade de suprir a necessidade energética de outros tecidos. Existem vários hormônios que controlam a glicemia e regulam a atividade das enzimas da gliconeogênese, entre os quais estão o glucagon e o cortisol.

5.1.1 Formação de glicose a partir de outras fontes Nos vegetais, a gordura e os aminoácidos são transformados em glicose por várias vias metabólicas, incluindo a gliconeogênese. Em micro-organismos, o início da via ocorre a partir de compostos como o propionato, o acetato e o lactato, que estão presentes meio de crescimento. Noscompostos animais, isso ocorre a partir compostos obtidos pela no alimentação e por meio de endógenos. Váriosde aminoácidos, se-

 jam eles proveni proveniente entess da diet dieta; a; ou, no caso de um proce processo sso de jejum prolo prolongado, ngado,

 

BIOQUÍMICA

 

122

originados a partir do músculo esquelético podem ser utilizados para produzir glicose na via gliconeogênica. A tabela a seguir mostra os aminoácidos glicogênicos e os intermediários metabólicos nos quais eles são transformados.

Tabela com aminoácidos glicogênicos

Aminoácido

Intermediário metabólico

Aminoácido

Intermediário metabólico

A l a ni na

P i r u v a to

I s o l e u ci n a

Succinil- CoA

 Ciisteína  C

P i r u v a to

M e t i o ni na

Succinil- CoA

 Gllicina  G

P i r u v a to

Treonina

Succinil- CoA

 Seerina  S

P i r u v a to

Valina

Succinil- CoA

 Trreonina  T

P i r u v a to

F e n il a l a n i n a

Fumarato

 Trriptofano  T

P i r u v a to

T i r o si na

Fumarato

Arginina Glutamato

α - C e to g l u t a r a to α - C e to g l u t a r a to

A s p a r a gi n a A spar tato

O x al o ace t a t o O x al o ace t a t o

Glutamina

α - C e to g l u t a r a to

P ro l i na

α-Cetoglutarato

Histidina

α - C e to g l u t a r a to

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 574. (Adaptado).

Além dos aminoácidos, a glicose pode ser formada a partir do lactato proveniente do processo de fermentação lática, do piruvato originado da via glicolítica e do glicerol oriundo dos triglicerídeos do tecido adiposo.

5.1.2 A via gliconeogênica Apesar de a glicólise e a gliconeogênese serem vias opostas, como mostrado na gura a seguir, o processo de gliconeogênese não é apenas uma reversão da via glicolítica, ainda que várias reações químicas sejam compartilhadas entre as duas vias metabólicas.

 

BIOQUÍMICA

 

123

A gliconeogênese e a glicólise são vias opostas Glicólise

Gliconeogênese Glicose

ATP

P1 Glicose 6fosfatase

Hexoquinase ADP

Glicose 6-fosfato

Frutose 6-fosfato

ATP

Fosfofrutoquinase-1

H2O

P1 Frutose 1,6bifosfatase-1 H2O

ADP Frutose 1,6-bifosfato Diidroxicetona-fosfato

Diidroxicetona -fosfato (2) Gliceraldeído-3-fosfato 2P1

2NAD+ 2NADH + 2H+

2P1 2NAD+ 2NADH + 2H+

(2) 1,3-Bifosfoglicera 1,3-Bifosfoglicerato to 2ADP

2ADP

2ATP

2ATP

(2) 3-Fosfoglic 3-Fosfoglicerato erato (2) 2-Fosfoglic 2-Fosfoglicerato erato

(2)Fosfoenolpiruvato 2ADP Piruvato-quinase 2ATP

2GDP PEP-Carboxiquinase

2GTP (2) Oxaloacetato 2ADP Piruvato carboxilase 2ATP (2) Piruvato

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 569. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

124

Na via glicolítica existem reações de quebra da glicose que são irreversíveis e, por isso, é necessário que existam outras reações com enzimas diferentes, a fim de que se possa formar glicose a partir do piruvato. Nesse processo também existem reações catalisadas por enzimas alostéricas e regulatórias. Portanto, tanto a glicólise quanto a gliconeogênese são vias irreversíveis. A maioria dos precursores da glicose é primeiramente transformada em piruvato ou até mesmo em intermediários do ciclo do ácido cítrico, como o oxaloacetato. Porém, o glicerol, proveniente da quebra de triglicerídeos do tecido adiposo, entra na via como diidroxicetona fosfato. É importante ressaltar que os ácidos graxos liberados na quebra de triglicerídeos não podem entrar na gliconeogênese, porque os animais não possuem a maquinaria enzimática necessária para transformar ácidos graxos em glicose. Para entender melhor a formação de glicose a partir do piruvato, precisamos saber que a transformação de piruvato em fosfoenolpiruvato é a primeira barreira enfrentada, sendo considerada a primeira etapa da gliconeogênese. gliconeogênese. Lembre-se de que o piruvato é formado no citosol a partir da via glicolítica e, nesse caso, ele deve ser transportado para a matriz mitocondrial. mitocondrial. Outra fonte de piruvato é a reação de transaminação do aminoácido alanina que ocorre na matriz da mitocôndria, na qual o grupo amino da alanina é transferido para um α-cetoácido carboxílico e o esqueleto de carcar bono resultante é o piruvato. Em ambos os casos, o piruvato formado deve estar disponível na matriz da mitocôndria para o início da gliconeogênese. Em seguida, a piruvato carboxilase, uma enzima presente na matriz da mitocôndria e que precisa da biotina para sua catálise, converte o piruvato a oxaloacetato. Nessa reação, existe a participação da coenzima biotina, que serve como um ativador do bicarbonato de forma que seja possível adicionar um grupo carboxila no piruvato. Na mitocôndria, não existe nenhum transportador de oxaloacetato. Por esse motivo, é necessário transformá-lo em malato antes de ser levado ao citosol. Essa transformação é catalisada pela malato desidrogenase mitocondrial, utilizando nicotinamida adenina dinucleotídeo (NADH), como mostrado na figura a seguir.

Reação da malato desidrogenase mitocondrial  +

  H  +   +    H   D   N A O=C – COO– H2C – COO– OXALOACETATO

HO – CH – COO– H2C – COO– MALATO

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 647. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

125

No citosol, a malato desidrogenase citosólica reverte a reação anterior, gerando novamente o oxaloacetato. Em seguida, a fosfoenolpiruvato carboxiquinase catalisa a transformação de oxaloacetato em fosfoenolpiruvato (PEP). Para essa reação, é necessária a presença de Mg 2+ como cofator. A enzima catalisa a retirada de uma molécula de gásdoador carbônico e utiliza um composto de alta energia (GTP – Guanosina Trifosfato) como de grupo fosfato.

Reação da fosfoenolpiruvato carboxiquinase   P  G  T

  P     i  +   +   P  G  D  C  O  2

O=C – COO– H2C – COO– OXALOACETATO

P O H2C = C – C

O O–

FOSFOENOLPIRUVATO (PEP)

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 571. (Adaptado).

Observe que, nessa fase da gliconeogênese, foram utilizados dois compostos ricos em energia: GTP e ATP. Note também que o CO 2 liberado pelo oxaloacetato para formar PEP é o mesmo que foi adicionado para formá-lo. Nesse mecanismo, ocorre transferência de NADH mitocondrial para o citosol pela sequência de transformações oxaloacetato-malato-oxaloacetato. Por outro lado, se o precursor para a glicose é o lactato, existem outras maneiras possíveis de transformar piruvato em PEP. Nesse caso, a transformação de lactato a piruvato forma NADH no citosol e, por isso, não é necessária a importação de agentes redutores, como descrito anteriormente. Uma possibilidade é a transformação de oxaloacetato em aspartato dentro da mitocôndria e, após a saída do aspartato, este é convertido em oxaloacetato no citosol. A outra possibilidade envolve a transformação do oxaloacetato a PEP pela catálise da fosfoenolpiruvato carboxiquinase mitocondrial. Depois disso, o PEP é levado para o citosol a fim de continuar a gliconeogênese. A figura a seguir mostra esse processo.

 

BIOQUÍMICA

 

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Reação de formação de PEP na mitocôndria PEP

PEP-carboxiquinase citosólica

CO2

Oxaloacetato

Malato-desidrogenase-citosólica

NADH + H+

NAD+ Malato

Malato

Malato-desidrogenase-mitocondrial

PEP

NAD+

CO2 PEPcarboxiquinase mitocondrial

NADH + H+

Oxaloacetato

Oxaloacetato

 Piruvato-carboxilase

 Piruvato-carboxilase CO2

Piruvato

Mitocôndria

ADP ATP ATP CO2

Piruvato

citosol

Piruvato

Piruvato +

Lactato-desidrogenase

NADH + H NAD+

Lactato

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 572. (Adaptado).

Depois de ocorrer a transformação de piruvato em PEP, as mesmas enzimas da via glicolítica revertem as reações até a formação de frutose-1,6-bifosfato. Essas transformações não são consideradas etapas da gliconeogênese, pois utilizam enzimas compartilhadas. A segunda etapa da gliconeogênese inicia gliconeogênese inicia com a desfosforilação da frutose-1,6-bifosfato. A enzima que catalisa essa reação é a frutose-1,6-bifosfatase, gerando

frutose-6-fosfato, como mostrado na reação a seguir.

 

BIOQUÍMICA

 

127

Reação da enzima frutose 1,6-bifosfatase O –O

P O–

O 1

6

O   CH2

 

O

5

H

CH2

O

2

H

HO

4

OH

P

 

O–

O

Pi –O

O–

P O–

H2O

OH

6

O   CH2

CH2OH

5

H

3

2

H

HO  

4

H

OH

FRUTOSE–1,6–BIFOSFATO

1

O 

OH

3

H

    O     C     i    r     b    a     F       ©

FRUTOSE–6–FOSFATO

Fonte: DEVLIN, 2011, p. 642. (Adaptado).

Depois disso, a fosfoexose isomerase, que é uma enzima da glicólise, catalisa a modificação de frutose 6-fosfato para glicose-6-fosfato. Essa reação não é exclusiva da gliconeogênese, portanto, é considerada uma etapa intermediária. Observe com atenção a figura a seguir. Ela mostra o caminho percorrido pela glicose-6-fosfato. Perceba que ela entra no lúmen do retículo endoplasmático liso (RE) por um transportador específico (T1). No retículo endoplasmático liso, ocorre a terceira etapa da gliconeogênese, gliconeogênese , ou seja, quando a glicose-6-fosfatase catalisa a reação de retirada do fosfato da glicose-6-fosfato, liberando glicose. Quando a concentração de glicose aumentar no interior do retículo endoplasmático liso, o transportador T2 permite a passagem do monossacarídeo para o citosol e, em seguida, a GLUT2 permite a saída de glicose para o plasma sanguíneo por diferença de concentração.

Reação da glicose 6-fosfatase no retículo endoplasmático liso Membrana plasmática

Citosol

G6P

Glicose 6-fosfatase

 Transportador de G6P (T1)

Glicose

G6P Lúmen do RE

Pi

 Transportador de glicose (T2)

Capilar

Glicose Pi

GLUT2

 Transportador de Pi (T3)

Concentração sanguínea de glicose aumentada

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 615. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

128

Uma vez no plasma sanguíneo, a glicose contribui para o aumento da glicemia. Essa é uma maneira eficiente de suprir as células, incluindo as células cerebrais e as hemácias, com glicose.

O controle da glicemia ocorre por estimulação hormonal. Quando a glicemia aumenta, o pâncreas libera insulina e pouco tempo depois a glicemia diminui. Quando a glicemia diminui, o pâncreas libera glucagon, promovendo o aumento posterior da glicemia.

 

5.1.3 Regulação da gliconeogênese A gliconeogênese, assim como a maioria das vias metabólicas, é estritamente regulada. Tendo em vista que a gliconeogênese e a glicólise são processos inversos, esses dois metabolismos são regulados reciprocamente. Na primeira etapa da gliconeogênese, a primeira enzima regulatória é a piruvato carboxilase. Essa enzima é inibida pelo ADP e ativada pelo acetil-CoA. Note que o excesso de adenosina difosfato (ADP), na célula, privilegia a formação de ATP no processo de respiração celular celular e, se ocorrer um excesso de acetil-CoA, significa que vários metabólitos, como os ácidos graxos, estão chegando em excesso para a célula, especialmente para o hepatócito, estimulando a gliconeogênese. Outra enzima inibida pelo ADP é a fosfoenolpiruvato carboxiquinase, inibindo a formação de fosfoenolpiruvato. No processo contrário, na glicólise, a transformação de fosfoenolpiruvato a piruvato faz com que a piruvato quinase sofra ativação pela frutose-1,6-bifosfato e inibição pelo ATP e pela alanina. Na segunda etapa da gliconeogênese, a frutose 1,6-bifosfatase  1,6-bifosfatase  é uma enzima estritamente regulada, sendo considerada a principal enzima regulatória dessa via metabólica. Ela é inibida pela adenosina monofosfato (AMP) e ativada pelo citrato. Porém, uma molécula-chave controla essa enzima: a frutose-2,6-bifosfato (F-2,6-BP). Ela é produzida pela catálise da fosfofrutoquinase-2 na transformação de frutose-6-fosfato e ocorre quando o indivíduo está com a glicemia alta e a célula está sendo estimulada pela insulina. Nesse caso, a fosfofrutoquinase-1 fosfofrutoquinase-1 está  está ativada, privilegiando a via glicolítica. Na situação de jejum, a glicemia do paciente diminui e o glucagon é liberado. Assim, não ocorre a formação de frutose-2,6-bifosfato, mantendo a frutose-1,6-bifosfatase ativada, privilegiando a formação de glicose para o aumento da glicemia, como ilustrado na figura a seguir.

 

BIOQUÍMICA

 

129

Regulação recíproca recíproca da gliconeogênese e da glicólise Glicose

Glicólise

Gliconeogênese

(insulina)

(glucagon e adrenalina)

Frutose 6-fosfato F-2,6-BP (+) AMP (+) ATP (–)

F-2,6-BP (–) Frutose-1,6-bisfosfatase AMP (–) Citrato (+)

Fosfofrutoquinase Fosfofrut oquinase 1

Frutose 1,6-bifosfato

Fosfoenolpiruvato

ADP (–)

PEP-carboxiquinase F 1,6-BP (+) ATP (–) Alanina (-)

Piruvato quinase

Piruvato

Oxaloacetato PiruvatoAcetil- CoA (+) carboxilase ADP (–)

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: BERG; TYMOCZKO; STRYER, 2004, p. 474. (Adaptado).

Os processos descritos anteriormente ocorrem por mecanismos reversíveis e rápidos. Outro processo regulatório importante é a regulação transcricional, no qual são controladas a síntese e a degradação das enzimas. A ação do hormônio insulina sobre seu receptor ativa várias vias de sinalização, envolvendo proteínas quinases distintas. A ativação da enzima ERK, uma MAP-quinase, ativa por fosforilação os fatores de transcrição SRF e Elk1, o que ocasiona aumento na síntese de enzimas necessárias para a divisão celular. A proteína quinase B (PKB) fosforila outros fatores de transcrição que aumentam a síntese de enzimas do metabolismo de carboidratos e de lipídeos. Um exemplo disso é o aumento da síntese das enzimas hexoquinase II e IV, da fosfofrutoquinase-1, da piruvato quinase e da fosfofrutoquinase-2. Um fator de transcrição importante sintetizado na presença de insulina é o ChREBP (proteína de ligação ao elemento de resposta aos carboidratos). Esse fator de transcrição coordena a síntese dos carboidratos e das gorduras e é expresso principalmente no tecido adiposo, nos rins e no fígado.

5.1.4 Ciclo de Cori

O ciclo de Cori é uma via metabólica na qual o lactato proveniente de várias fontes é levado ao fígado e, no fígado, é convertido em glicose. Nesse ponto, você deve

 

BIOQUÍMICA

 

130

estar pensando: quais são as fontes de lactato? Várias células, como as hemácias, produzem lactato. Lembre que as hemácias não possuem mitocôndrias e, por esse motivo, a transformação de piruvato a lactato é extremamente importante para reciclar o NAD + (estado de oxidação da nicotinamida adenina dinucleotídeo), consumindo NADH. +

Sem essa reação, o NAD  da hemácia serianão depletado (acabaria) ria inibida, consequentemente as hemácias produziriam ATP. e a via glicolítica ficaOutra fonte importante de lactato é a atividade muscular intensa sem o devido suprimento de oxigênio. Nessas condições, o músculo trabalha em anaerobiose, ou seja, sem oxigênio. Uma parte do lactato produzido pelo músculo é lançada na corrente sanguínea e é transportada para o fígado, onde ocorre a gliconeogênese, sendo que a glicose resultante retorna ao plasma sanguíneo para nutrir os tecidos. Veja na figura a seguir um esquema do Ciclo de Cori.

Ciclo de Cori

Músculo: ATP produzido pela glicólise para contração rápida.  rápida.  Glicogênio

Lactato ATP

Glicose sanguínea

Lactato sanguíneo

ATP Glicose

Lactato Figado: ATP usado na síntese Figado: de glicose (gliconeogênese) durante a recuperação.

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 948. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

131

Estudos recentes mostram que a alanina é um aminoácido de contribuição significativa para o processo de gliconeogênese no fígado. No músculo, o piruvato sofre processo de transaminação e é transformado em alanina, que vai ao fígado; o processo contrário ocorre no mesmo órgão. Isso mostra como a gliconeogênese e a glicólise são processos coordenados.

5.2 Glicogênese A glicose é guardada na forma de glicogênio tanto nos animais quanto em muitos micro-organismos. Nos animais, o fígado e o músculo estriado esquelético são os principais locais de armazenamento desse polissacarídeo, mas ele também aparece em quase todas as células. No músculo, representa de 1 a 2% do peso total e, no fígado, aproximadamente 10%. Se a glicose entrar nessas células e permanecer solta no citoplasma, a concentração do citosol passa para 0,4 M, aumentando muito a osmolaridade da célula. Armazenada na forma polimérica, a concentração diminui para 0,01 M. O armazenamento do glicogênio glicogênio   ocorre em grandes grânulos citosólicos, nos quais, internamente, está a proteína glicogenina.

O glicogênio é um polissacarídeo com moléculas de glicose em ligação α(1 → 4) e ramificações α(1 →6). A quantidade de moléculas varia segundo o estado nutricional do indivíduo. Quando o indivíduo está no estado alimentado, cada grânulo de glicogênio apresenta cerca de 55 mil resíduos de glicose e aproximadamente duas mil extremidades não-redutoras.

 

A presença do glicogênio no fígado é especialmente importante para manter a glicemia em períodos de jejum, podendo acabar entre 12 e 14 horas. O glicogênio muscular contribui para a manutenção energética dessas células e na atividade intensa pode durar menos de uma hora. A glicogênese se inicia pela ação da glicogenina, uma proteína interessante que possui uma atividade glicosil-transferase capaz de transferir um resíduo de glicose da UDP-glicose (nucleotídeo-açúcar) para o grupo hidroxila da tirosina (Tyr 194 ) de sua própria estrutura, iniciando uma nova cadeia de glicogênio. Outras reações de alongamento da cadeia adicionam até sete resíduos de glicose permitindo a extensão da cadeia na glicogenina. Depois disso, a enzima glicogênio sintase continua na transferência de resíduos de glicose usando UDP-glicose para aumentar a cadeia, como será descrito no tópico seguinte.

 

BIOQUÍMICA

 

132

5.2.1 Formação do nucleotídeo-açúcar Para que ocorra a formação do glicogênio, deve ser formado o nucleotídeo-açúcar. Essa formação serve para ativar o carbono anomérico (carbono 1) da molécula de glicose, unindo-se um nucleotídeo por meio de uma ligação éster de fosfato. Essa ligação entre o nucleotídeo e o açúcar é facilitada por vários fatores: 1. a ligação do nucleotídeo trifosfato com o açúcar promove a liberação de PPi (pirofosfato). Essa reação é irreversível, porque quando o pirofosfato é liberado, em seguida ele é rapidamente hidrolisado, garantindo que a variação da energia livre seja favorável à reação; 2. a estrutura do nucleotídeo não se envolve nas reações com o açúcar, porém elas ficam disponíveis na célula para que sejam realizadas interações com enzimas, o que favorece a reação; 3. a ligação do açúcar no nucleotídeo faz com que os transportadores de monossacarídeos da membrana (GLUT) não reconheçam a glicose e, com isso, a glicose e outras hexoses podem ficar reservadas para outras finalidades na célula. Para iniciar a síntese de UDP-glicose, ou seja, o nucleotídeo-açúcar que inicia a formação do glicogênio, é necessário que seja sintetizada a glicose-6-fosfato. Essa formação é catalisada pela hexoquinase IV no fígado e pela hexoquinase II no músculo. Depois, a glicose-6-fosfato sofre isomerização em glicose-1-fosfato. Essa reação é catalisada pela fosfoglicomutase, mostrada na figura a seguir.

Reação da fosfoglicomutase CH2O – P O

H

CH2OH H

O H

OH

H

HO

OH OH

H

H

H

H

OH

GLICOSE 6-FOSFATO

H O– P

HO

H

OH

GLICOSE 1-FOSFATO

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 614. (Adaptado).

Em seguida, a glicose-1-fosfato é transformada em UDP-glicose pela catálise da UDP-glicose-pirofosforilase, como ilustra a figura a seguir. Essa é uma das etapas-cha-

ve para a glicogênese.

 

BIOQUÍMICA

 

133

Reação da UDP-glicose-pirofosforilase GRUPO GLICOSIL CH2OH CH2OH

  P   U  T

O H

  i   P  P

O

H

H

H

H

OH

H

URIDINA DIFOSFATO

H

O

HO OH

H O– P

HO

O H –

H

OH

O

OH

HN

O   P

O

P

O– O

O GLICOSE 1-FOSFATO

O

CH2 H

N

O H

H

H

OH

OH

UDP-GLICOSE

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 618. (Adaptado).

Apesar do nome da enzima estar indicando a reação inversa, na célula é preferencial a formação de UDP-glicose, porque o PPi liberado é rapidamente degradado, não permitindo que a reação inversa ocorra.

→4) 5.2.2 Formação da ligação α(1 Os resíduos de glicose ligados ao UDP entram na reação catalisada pela glicogênio sintase. Essa enzima catalisa a retirada do UDP e a ligação do carbono 1 da glicose à extremidade não redutora do glicogênio, ou seja, liga ao carbono 4 da última glicose do glicogênio. Nessa reação, libera a molécula de UDP. A figura a seguir mostra a reação catalisada pela glicogênio sintase.

 

BIOQUÍMICA

 

134

Reação da glicogênio sintase 6

CH2OH 5

O

H 4

H

H OH

H

1

HO 3

2

H

OH –

O

O   P O

O O

P O

O –

CH2OH Uracila

CH2

UDP-glicose

H

Extremidade não redutora

4

H OH

H

HO

H

1

4

O H OH

OH

1

OH

OH

H

H

H

1

4

O H OH

H

O H

4

H

H O

H

OH

CH2OH

O H

H

Extremidade não redutora da UDP cadeia do glicogênio com n resíduos (n>4)

CH2OH H

O

O H

Glicogênio sintase

O

1

H

HO

OH

CH2OH

H OH

H

H

H

4

H

OH

H

O

H

H

CH2OH

OH

H 1

O H

OH

Glicogênio alongado com n

 +1 resíduos

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 618. (Adaptado).

Observe que a atividade da glicogênio sintase produz um polissacarídeo linear, que possui apenas ligações α(1→ 4). Se apenas essa enzima fizesse a catálise da síntese de glicogênio, o polissacarídeo formado não teria nenhum ponto de ramificação, tornando-se um polímero linear. Nesse caso, além de ocupar um grande espaço na célula, o que atrapalharia seu funcionamento, a quebra do glicogênio seria lenta, devido à apresentação de poucas extremidad ex tremidades es não-redutoras. Além disso, quando for necessário quebrar glicogênio hepático para aumentar a glicemia ou o glicogênio muscular para aumentar a quantidade de ATP no músculo, a quebra do polímero será muito demorada, o que ocasionará problemas graves ao indivíduo. Por esse motivo, é necessá-

    O     C     i    r     b    a     F       ©

rio que ocorra o processo de ramificação.

 

BIOQUÍMICA

 

135

5.2.3 Formação da ligação α(1→6) Como o glicogênio, no estado alimentado, é um polímero ramificado, é necessário que a enzima glicosil (4 →6) transferase, também chamada de amilo (1→ 4) a (1→6) transglicosilase, promova a formação da ligação α(1→ 6). Para tanto, essa enzima catalisa a transferência de seis a sete resíduos de glicose da extremidade não redutora para o carbono 6 da glicose. Essa extremidade deve conter aproximadamente 11 resíduos de glicose. A enzima promove a quebra da ligação glicosídica e a transferência para o grupo hidroxil do carbono 6 da glicose de uma posição mais interna ou para outra cadeia do glicogênio. Isso ocasiona a formação da ligação α(1 → 6) e a consequente ramificação, como mostra a figura a seguir.

Ação da enzima glicosil (4→6) transferase o

o

o Extremidade não redutora

HO

o o

o o

(α1

o o

o o

o

4)

o o

o o

o o

o o

Núcleo do glicogênio

Enzima de ramificação do glicogênio o

Extremidade HO não redutora

o

o o

o o

o o

o o

o

o Extremidade HO não redutora

o

(α1

o

o o

o o

o o

o o

6) Ponto Ponto de ramificação Núcleo do glicogênio

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 619. (Adaptado).

Depois disso, a glicogênio sintase continua catalisando o aumento da cadeia polissacarídica. Como comentado anteriormente, com a ramificação, a molécula do glicogênio torna-se mais solúvel e uma posterior quebra no processo de glicogenólise ocorre mais rapidamente.

    O     C     i    r     b    a     F       ©

 

BIOQUÍMICA

 

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5.3 Glicogenólise O glicogênio é um polissacarídeo que contém uma quantidade variável de moléculas de glicose, em ligações α(1→ 4) e α(1→6). Esse polissaca polissacarídeo rídeo serve para armazemoléculas de glicose no diminuição interior da célula animal,em principalmente no hepatócito enar noasmiócito. Quando há uma da glicemia virtude do jejum, o glicogênio armazenado no fígado é degradado e as moléculas de glicose são liberadas contribuindo para a manutenção da glicemia, fato esse, que preserva o funcionamento de algumas células, como as hemácias, que são dependentes exclusivamente de glicose, e o sistema nervoso, que tem a glicose como combustível preferencial. O processo de quebra do glicogênio é de extrema importância para o organismo dos animais e é chamado de glicogenólise glicogenólise.. É importante salientar que o enquanto o glicogênio hepático supre outras células com glicose, o glicogênio armazenado no músculo é a principal fonte de glicose para o miócito. Essa glicose é utilizada na via glicolítica para a produção de ATP.

5.3.1 Atividade da glicogênio fosforilase O início da quebra do glicogênio ocorre pela atividade da enzima glicogênio fosforilase. Essa enzima catalisa a quebra da ligação glicosídica da extremidade não redutora pelo processo de fosforólise. Nesse caso, o fosfato inorgânico (P i) promove um ataque à ligação glicosídica da extremidade não redutora, na ligação α(1→ 4), retirando o resíduo de glicose na forma de glicose-1-fosfato. Essa reação acontece até que quatro resíduos de glicose fiquem próximos a um ponto de ramificação.

 

BIOQUÍMICA

 

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Atividade da glicogênio fosforilase Extremidade não redutora 6 CH OH 2 H 4

O

5

HO

H

OH

H

H

Cadeia de glicogênio (glicose)

Glicogênio-fosforilase Extremidade não redutora CH2OH

CH2OH

CH2OH

O

O

H H

H

4

O

H 2

H H

–

1

3

OH

n

6

H

O

OH

Pi

HO

H

O

OH

OH

H

H OH

O

5

O

2

3

H

H

H

H

1

H

CH2OH

O

H

H

H OH

CH2OH

O

P

+

O–

O H

H

OH HO

OH

H H O

O H

OH

H H

OH

H

OH

O Glicogênio com um resíduo de glicose a menos (glicose)  – 1 n

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 613. (Adaptado).

Depois da liberação da glicose-1-fosfato, essa molécula sofre a catálise da fosfoglicomutase para ser transformada em glicose-6-fosfato. Se isso estiver ocorrendo no fígado, a glicose-6-fosfato é hidrolisada em glicose para posterior liberação para o plasma, ou, se ocorrer no tecido muscular, por exemplo, a glicose-6-fosfato entra na via glicolítica.

5.3.2 Atividade da transglicosilase Depois que a glicogênio fosforilase diminuiu o tamanho da ramificação e ficam apenas quatro resíduos de glicose, a transferase desramificadora transfere as três últimas moléculas de glicose que estão em ligação α(1→ 4) para a extremidade não redutora O que está sobra na ramificação é apenas ligação mais α(1→próxima. 6). Essa reação mostrada na figura a seguir.um resíduo de glicose em

 

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Atividade da transferase

atividade de transferase da  enzima desramificadora

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 614. (Adaptado).

É importante ressaltar que cada hexágono corresponde a uma molécula de glicose. O traço horizontal é relativo às ligações α(1→ 4). Já o traço vertical é referente às ligações α(1→ 6). Depois de transferidos os últimos resíduos de glicose em ligação α(1 → 4) para a extremidade redutora, o único resíduo de glicose que permanece na ramificação está em ligação α(1→ 6).

5.3.3 Atividade da α(1→6) glicosidase Como o glicogênio permanece ramificado, com apenas uma molécula de glicose em ligação α(1→ 6), é necessário que a enzima α(1→ 6) glicosidase catalise a quebra da ligação glicosídica, liberando glicose. O polissacarídeo linear que sobra continua sendo quebrado pela glicogênio fosforilase até chegar a quatro resíduos de glicose que estão ligados na glicogenina. Depois que a glicogênio fosforilase catalisa a quebra das ligações α(1 →4), libera glicose-1-fosfato. Essa molécula pode ser encaminhada para a glicólise. No caso do fígado, o grupo fosfato é posteriormente retirado para liberar a glicose ao sangue e aumentar a glicemia. Porém, para as duas opções, é preciso que a enzima fosfoglicomutase catalise a transformação da glicose 1-fosfato em glicose 6-fosfato, como vere-

mos no tópico a seguir.

 

BIOQUÍMICA

 

139

5.3.4 Ação da fosfoglicomutase Como armado anteriormente, é necessário que a molécula de glicose-1-fosfato seja transformada em glicose-6-fosfato pela ação da enzima fosfoglicomutase. O processo reversível de modicação de posição do grupo fosfato da glicose 1-fosfato necessinecessita que a enzima fosfoglicomutase esteja fosforilada em um resíduo de serina (Ser). Esse fosfato é colocado no carbono 6 da glicose-1-fosfato e, em seguida, o fosfato do carbono 1 é devolvido à enzima. Depois dessa reação, dependendo da estimulação da célula, a glicose-6-fosfato pode continuar na via glicolítica para gerar ATP no processo de respiração celular ou pode ir ao retículo endoplasmático liso, no qual a glicose-6-fosfatase catalisa a retirada do grupo fosfato e a posterior liberação da glicose para o plasma. Essa última reação só ocorre no fígado, enquanto a primeira acontece no fígado e no músculo estriado esquelético.

5.4 5. Regulaçãoda do Regulação metabolismo do glic glicogênio ogênio para o organismo de A 4manutenção glicemia é um fator muito importante qualquer animal. Por esse motivo, a síntese e a degradação do glicogênio são muito bem reguladas. No músculo em exercício prevalece a glicogenólise; porém, quando o músculo está em relaxamento, ocorre a glicogênese. Por outro lado, quando o indivíduo está no estado alimentado, com a glicemia alta, a síntese do glicogênio acontece no fígado. No entanto, quando ocorre o jejum inicial, ou seja, quando a glicemia tende a diminuir, há estímulo para que a degradação do glicogênio inicie.

5.4.1 Regulação da glicogênio sintase A enzima glicogênio sintase é regulada pelo processo de fosforilação. Quando está na forma ativa, a glicogênio sintase a se a se encontra desfosforilada. Quando os resíduos laterais de Ser são fosforilados, ocorre a conversão para glicogênio sintase b, b, tornando a enzima inativa. Para que isso aconteça, várias proteínas quinases estão envolvidas, porém, a mais importante de todas é a glicogênio sintase quinase 3 (GSK3). Ao acrescentar grupos fosforilas aos resíduos de Ser próximos à ponta carboxi-terminal da glicogênio sintase, a GSK3 promove uma forte inibição na glicogênio sintase. A transformação da glicogênio sintase b  b  em glicogênio sintase a  a  é catalisada pela fosfoproteína fosfatase 1 (PP1), que está ligada ao glicogênio. Essa enzima retira os grupos fosforilas dos resíduos de Ser da glicogênio sintase que foram adicionados pela GSK3. Para que isso aconteça, uma molécula de glicose-6-fosfato se liga à

glicogênio sintase b, b, tornando a enzima um substrato para a PP1, que promove a des fosforilação no fígado. No músculo, porém, outra fosfatase age no lugar da PP1, ocasionando a ativação da glicogênio sintase, como mostra a figura a seguir.

 

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Controle Con trole da glicogênio sintase realizado por fosforilação Insulina

 

Receptor de insulina

Membrana plasmática PI-3K    PIP3 OH IRS-I

 

 

PIP2

PDK-1

P

IRS-I PKB Ativa P

GSK3

GSK3 Inativa P Glicogênio sintase b

OH OH OH

P P

Glicogênio sintase a

Inativa

Ativa PP1

3P1

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 624. (Adaptado).

Com a glicogênio sintase ativada, o processo de síntese de glicogênio continua e a glicose que entra na célula pode ser armazenada na forma de polissacarídeo.

5.4.2 Regulação da glicogênio fosforilase

Assim como a glicogênio sintase, a glicogênio fosforilase também é controlada pelo processo de fosforilação/desfosforilação. Quando o músculo está em repouso, ocorre predomínio da glicogênio fosforilase b. Com a estimulação da adrenalina (no músculo) ou do glucagon (no fígado), desencadeia-se uma cascata de reações que culminam com a fosforilação da enzima, convertendo-a em glicogênio fosforilase a, que é ativa. Essa cascata de reações desencadeadas por hormônios promove uma amplificação de sinal, aumentando a quantidade de AMP cíclico (AMPc), que, por sua vez, ativa a proteína quinase A. Com isso, a quantidade de fosforilase b quinase ativada aumenta, crescendo também a quantidade de glicogênio fosforilase a. No fígado, há um consequente aumento da liberação de glicose proveniente do glicogênio, contribuindo para

a manutenção da glicemia.

 

BIOQUÍMICA

 

141

No músculo, esse processo garante a manutenção de combustível para a glicólise, mantendo os níveis de ATP na célula. Nesse caso, existem dois mecanismos de controle. O primeiro tem relação com o Ca+2  liberado no mecanismo excitação-contração, no qual a fosforilase b quinase é ativada por possuir um sítio calmodulina, culminando com a ativação da glicogênio fosforilase. O segundo processo ocorre tanto no músculo quanto no fígado. Observa-se que a quebra de ATP libera grande quantidade de AMP, que se liga à glicogênio fosforilase e promove sua ativação, aumentando a liberação de glicose-1-fosfato. Com o aumento da glicólise após a ação da fosfoglicomutase, que converte glicose-1-fosfato em glicose-6-fosfato, a quantidade de ATP aumenta no miócito (célula muscular) e isso bloqueia o sítio de ligação do AMP na enzima glicogênio fosforilase, inativando a enzima. Ao retornar para o repouso, a enzima fosforilase α fosfatase do músculo desfosforila a glicogênio fosforilase a, a, inativando-a.

5.4.3 5. 4.3 Regulação recíproca da síntese e degradação degradação do glic glicogênio ogênio O processo de regulação da glicogênese e da glicogenólise é complexo e regulado pelos hormônios insulina, glucagon e adrenalina. Na situação de estado alimentado, a glicemia aumenta, ativando a liberação de insulina, que, por sua vez, ativa o receptor tirosina quinase, estimulando a síntese da glicogênio sintase e também dispara uma cascata de reações que inibe a GSK3. Essa enzima é inibida por fosforilação a partir da ativação da proteína quinase B (PKB), o que mantém a glicogênio sintase na forma a, ou seja, desfosforilada. Essa forma da glicogênio sintase é ativa e, portanto, tanto no músculo quanto no fígado, a glicose que entrar na célula pode ser encaminhada para a síntese de glicogênio. No estado de jejum, a glicemia diminui, o que ativa a liberação de glucagon. No estado de estresse, a adrenalina é liberada. Esses dois hormônios agem no fígado, ativando a produção de AMPc e, por consequência, ativando também a proteína quinase A e a fosforilase b quinase. Essa última fosforila a glicogênio fosforilase, ativando-a, e isso ocasiona um aumento na quebra do glicogênio, que em última instância aumenta a glicemia do indivíduo.

5.4.4 Doenças relacionadas ao metabolismo do glicogênio Alterações em qualquer uma das enzimas relacionadas ao metabolismo do glicogênio geram doenças chamadas de glicogenoses. Dependendo da enzima deficiente, pode levar à hipoglicemia grave e até mesmo ao óbito do paciente. A seguir serão des-

critas as principais glicogenoses.

 

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A glicogenose tipo I, I, também chamada de Doença de von Gierke , é ocasionada pela deficiência na glicose-6-fosfatase. Nesse caso, a liberação de glicose pelo fígado e pelos rins está prejudicada, ocasionando o aumento do armazenamento desse monossacarídeo na forma de glicogênio nos dois órgãos citados. Além disso, como a glicose não consegue ser liberada, o paciente fica hipoglicêmico. A pouca glicose que chega forma lactato, ocasionando acidose lática. E como os músculos e o fígado utilizam ácidos graxos para a produção de ATP, aumenta o deslocamento de lipídeos para o sangue, ocasionando hiperlipidemia. Por outro lado, como o fígado utiliza muitos ácidos graxos, forma grande quantidade de acetil-CoA, que é desviado para a cetogênese, aumentando a quantidade de corpos cetônicos no plasma sanguíneo. Todas essas alterações metabólicas provocam aumento do tamanho do fígado, ou hepatomegalia, e hipoglicemia frequente entre as refeições, o que pode ocasionar convulsões. Na glicogenose tipo II, II , chamada de Doença de Pompe, Pompe, a deficiência enzimática ocorre na enzima α(1→ 4) a α(1→ 6) glicosidase lisossomal. Por isso, há acúmulo de glicogênio nos lisossomos, em especial do coração. Isso provoca insuficiência cardíaca e, por consequência, óbito do paciente. A glicogenose tipo III apresenta III apresenta três nomes: pode ser chamada de dextrinose limite,, Doença de Forbes ou mite Forbes ou Doença de Cori. Cori. Essa glicogenose é resultado da ausência da enzima de desramificação, transglicosilase. Isso leva ao acúmulo de glicogênio característico, apresentando ramificações curtas e ocasionando hepatomegalia. Devido à deficiência enzimática, apenas as ramificações mais externas da cadeia do glicogênio podem ser usadas como fonte de glicose. A glicogenose tipo IV, IV, chamada de amilopectinose amilopectinose   ou Doença de Andersen, Andersen, é causada pela ausência da enzima de ramicação (glicosil-(4 →6)-transferase), provocando a presença de um polissacarídeo com poucos pontos de ramicação, o que ocasiona insuciência cardíaca ou hepática, levando a pessoa ao óbito nos primeiros anos de vida. Na glicogenose tipo V, V, chamada de Doença de Doença de McArdle  McArdle  ou deficiência da miofosforilase,, o músculo apresenta grande quantidade de glicogênio. Por outro lado, a fosforilase glicogênio fosforilase está deficiente e não consegue mobilizar o glicogênio para produzir ATP no músculo, provocando uma tolerância diminuída ao exercício e possibilidades de cãibras. A glicogenose tipo VI, VI, também chamada de Doença de Hers ocorre quando há deficiência naaumentada glicogênio fosforilase hepática, o que ocasiona tendência à hipoglicemia e quantidade de glicogênio no fígado.

 

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A glicogenose tipo VII, VII , também chamada Doença de Tarui, Tarui, é caracterizada pela deficiência da fosfofrutoquinase do músculo e do eritrócito. Nesse caso, o indivíduo apresenta intolerância ao exercício e anemia hemolítica. A glicogenose tipo VIII  VIII  apresenta deficiência da glicogênio fosforilase quinase, ocasionando hipoglicemia. Portanto, podemos perceber que a deciência de apenas uma enzima pode ocasioocasio nar mudanças signicativas no metabolismo do glicogênio do paciente. Essa alteração no metabolismo pode, em alguns casos, debilitar gravemente o paciente, levando-o a uma qualidade de vida ruim ou mesmo ao óbito, como é o caso da Doença de Pompe. Com esse capítulo, pode-se perceber que o metabolismo do glicogênio e a formação da glicose a partir de outros compostos são fundamentais para a manutenção da glicemia, assim, o aporte contínuo de glicose para as células é extremamente importante para a saúde do ser humano.

 

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144

Referências BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 5. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, Koog an, 2004. 20 04. CAMPBELL, M. K; FARRELL, S. O. Bioquímica Combo. 5. ed. São Paulo: Thomson Cengage Learning, 2007. DEVLIN, T. M. Manual de Bioquímica com Correlações Clínicas. 7. ed. São Paulo: Blucher, 2011. HALL, J. E. Guyton & Hall Tratado de Fisiologia Médica. 12. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2011. HARVEY, R. A.; FERRIER, D. R. Bioquímica Ilustrada. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2012. HENEINE, I. F. Biofísica Básica. 2. ed. São Paulo: Atheneu, 2010. KOEPPEN, B. M.; STANTON, B. A. Berne & Levy Fisiologia. 6. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2009. NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 201 2014. 4. SILVERTHORN, D. U. Fisiologia Humana: uma abordagem integrada. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010. VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W. Fundamentos de Bioquímica: a vida em nível molecular molecul ar.. 2. ed. Porto Alegre: Artmed, Ar tmed, 2008.

 

6 Lipídeos e lipopr lipoproteí oteínas nas Os lipídeos são biomoléculas que possuem importantes funções nos organismos vivos. Podem atuar como moléculas de reserva de energia, elementos estruturais das membranas biológicas, hormônios, vitaminas, agentes emulsicantes, mensageiros intraintracelulares e isolantes térmicos. São caracterizados quimicamente por sua baixa solubilidade em água e alta solubilidade em solventes orgânicos, como álcool, éter e acetona. Como essa propriedade química dos lipídeos é importante no ambiente celular? A diculdade de solubilização em água é relevante, pois gera uma barreira biológica de separasepara ção entre o meio externo das células, essencialmente aquoso, e o interno, também aquoso, conhecido como membrana celular. Existem diferentes formas de classicação dos lipídeos, sendo que a mais utilizada os diferencia em relação a sua função biológica. Os lipídeos que possuem função estrutural, como os fosfolipídeos constituintes das membranas biológicas, são denominados lipídeos estruturais ou funcionais e aqueles utilizados como reservas energéticas, como os trigliceestruturais ou rídeos, são chamados lipídeos de armazenamento. armazenamento. Também podemos classicar os lipídeos de acordo com a presença ou não de ácidos graxos na estrutura lipídica: aqueles que possuem ácido graxo são chamados saponicásaponicá veis por reagirem com bases fortes em meio alcoólico, formando sabão, e aqueles que não possuem ácido graxo são conhecidos como não saponicáveis. Neste capítulo, veremos as características e as propriedades de cada classe de lipídeos e falaremos sobre as lipoproteínas, estruturas especializadas no transporte de lipídeos pelo sangue. No próximo tópico, vamos abordar os lipídeos de armazenamento.

6.1 Lipídeos de armazenamento Os lipídeos de armazenamento são caracterizados por atuarem como moléculas de reserva em determinados organismos. Eles possuem duas características que os tornam moléculas extremamente vantajosas para serem utilizadas como reserva de energia. A primeira é a sua hidrofobicidade, pois, quando a célula armazena lipídeo em seu interior, essa molécula não carrega água de solvatação, como aconteceria se fosse uma molécula solúvel em água. Dessa forma, as células que armazenam lipídeos não carregam um peso extra da água de hidratação. A segunda característica dos lipídeos está relacionada a sua grande capacidade de gerar energia quando degradados. Cada grama de lipídeo metabolizado gera 9 kcal de energia, ao contrário dos carboidratos, que geram 4 kcal durante sua degradação.

 

BIOQUÍMICA

 

146

Nos mamíferos, a principal molécula com essa função é chamada de triacilglicerol triacilglicerol,, que é constituído por uma molécula de glicerol ligada a três ácidos graxos. Veremos a seguir as principais características dessas estruturas.

6.1.1 Ácidos graxos

Os ácidos graxos são ácidos carboxílicos que contêm no mínimo 4 e no máximo 36 carbonos. A carboxil carboxilaa presente nessas estruturas possui característica hidrossolúvel, hidrossolúvel, ou seja, é hidrofílica, e a cadeia carbônica é hidrofóbica. Existe uma convenção para nomear os ácidos graxos. Primeiramente, você deve contar o número de átomos de carbonos presentes na cadeia carbônica e depois localizar quais carbonos possuem duplas ligações. Caso o ácido graxo não possua duplas ligações, sua nomenclatura é representada pelo número de carbonos seguido pelo número zero. Por exemplo, um ácido graxo com 16 carbonos e sem dupla ligação seria representado como 16:0 16:0.. Já os ácidos graxos com duplas ligações são representados de maneira diferente: número de carbonos seguido pelo número de duplas ligações e sua posição. Veja dois exemplos na figura a seguir. O ácido graxo representado pela letra a está indicado da seguinte forma: 18:1 (Δ 9). Isso significa que ele possui 18 carbonos e uma dupla ligação que está posicionada entre os carbonos 9 e 10. A figura b representa um ácido graxo 20:5 (Δ 5,8,11,14,17), ou seja, ácido graxo com 20 carbonos e cinco duplas ligações com as suas devidas localizações. Não esqueça que o carbono número 1 é sempre o carbono da carboxila.

Nomenclatura de ácidos graxos O C

1

α

4

2 3

O

9

10

18

9

(a)18:1 (∆ ) ácido cis-9-octadecenoico O C

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 1 0 11 11

12 13 13 14 14

15 16 17 17

18 19 20

–

O 5,8,11,14,17

(b) 20:5 (∆

) ácido eicosapentaenoico (EPA), (EPA),

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 357. (Adaptado).

    O     C     i    r     b    a     F       ©

A seguir veremos de que maneira os ácidos graxos podem ser classificados e qual é seu papel estrutural na formação dos triacilgliceróis.

 

BIOQUÍMICA

 

147

6.1.2 Classificação dos ácidos graxos Os ácidos graxos podem ser classificados de diferentes formas: quanto ao tipo de ligação entre os átomos de carbono, com relação ao tamanho da cadeia e também de acordo com sua necessidade na dieta. Ácidos graxos que contêm apenas ligações simples entre seus carbonos são denominados ácidos graxos saturados, saturados, ao passo que, se existir pelo menos uma ligação dupla, são denominados ácidos graxos insaturados.. Caso existam duas ou mais insaturações, o ácido graxo é classificado como turados poli-insaturado. Outro dado importante, além da presença de duplas ligações, é sua configuração: cis  ou trans. Essa configuração está relacionada à posição espacial dos átomos de hidrogênio ao redor da dupla ligação: se estão do mesmo lado na estrutura espacial, a dupla ligação é do tipo cis; caso estejam em lados opostos, a dupla ligação possui configuração trans. A maior parte dos ácidos graxos naturais é do tipo cis. A figura f igura a seguir mostra dois exemplos de ácidos graxos: o oleico, com configuração cis, e o elaídico, com configuração trans. Perceba que as duplas ligações em ambos os ácidos graxos estão entre os carbonos 9 e 10.

Configurações cis e trans 18

CH3

 

CH3

Forma trans (ácido elaídico)

120° Forma Cis (ácido oleico)

10

10

H

C

C

C 9

H

C

H

H

9

110°

1 -

COO

Fonte: MURRAY et al ., ., 2013, p. 143. (Adaptado).

-

COO

    O     C     i    r     b    a     F       ©

 

BIOQUÍMICA

 

148

Gorduras trans  são ácidos graxos insaturados que possuem dupla ligação com configuração trans. Eles são produzidos geralmente pela indústria e o consumo acima do recomendado provoca aumento dos níveis da lipoproteína LDL, importante fator de risco para doenças cardiovasculares.  

A presença da dupla ligação é essencial para determinar as propriedades físicas e químicas dos ácidos graxos. Os insaturados apresentam uma torção na cadeia carbônica, decorrente do ângulo de ligação da dupla, o que qu e gera uma redução no valor dos pontos de fusão dos ácidos graxos. Sendo assim, os ácidos insaturados geralmente são líquidos em temperatura ambiente (25ºC). Nos ácidos graxos saturados, a ausência da dupla aumenta o grau de interação entre as cadeias vizinhas, fazendo com que o ponto de fusão dessas estruturas seja mais alto. Portanto, a 25ºC, essas moléculas estão no estado sólido. A ilustração a seguir mostra o impacto da presença da dupla ligação sobre a estrutura do ácido graxo. Perceba na gura b que a dupla ligação provoca o dobramento do ácido graxo.

Estrutura de ácidos graxos (a) Grupo

O

carboxil

O

(b)

C

O

O C

Cadeia hidrocarbonada     O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 359. (Adaptado).

Os ácidos graxos também podem ser classificados pelo tamanho de suas cadeias. Há os de cadeia curta, com quatro a seis carbonos, os de cadeia média, (entre sete e doze carbonos), os de cadeia longa (entre treze e dezoito carbonos) e os de cadeia muito longa (possuem mais de dezoito carbonos). A terceira forma de classificar um ácido graxo diz respeito a sua necessidade na dieta. Nesse organismo caso, temosnão os consegue essenciais e essenciais  e os nãopor essenciais essenciais. . Os essenciais sãopor aqueles que o nosso produzir, isso precisamos obtê-los meio

da dieta. Os ácidos linoleico e linolênico, conhecidos também como ômegas 6 e 3, respectivamente, são importantes exemplos de ácidos graxos essenciais. Já os não essenciais podem ser produzidos e não têm a dieta como única fonte de obtenção.

 

BIOQUÍMICA

 

149

6.1.3 Triacilgliceróis Os triacilgliceróis são formados a partir da reação das hidroxilas de uma molécula de glicerol com três ácidos graxos. A ligação dos ácidos graxos à molécula de glicerol ocorre por meio de reações de esterificação com consequente formação de ligações éster. Portanto, as moléculas de triacilgliceróis são essencialmente apolares e hidrofóbicas, com baixa solubilidade em água. Estes triacilgliceróis, na maioria das vezes, são mistos, ou seja, formados por ácidos graxos diferentes. A nomenclatura dessas moléculas é realizada colocando o nome do ácido graxo e sua posição na molécula de glicerol. Por exemplo: 1-palmitoleil-2-linoleoil-3-estearoilglicerol, pois esse triacilglicerol contém um resíduo do ácido graxo palmitoleico na posição 1, do resíduo do ácido linoleico na posição 2 e do resíduo do ácido esteárico na posição 3. Perceba que a terminação eico o  ouu ico  é substituída por oil  quan quando o ácido graxo é incorporado ao glicerol. A figura a seguir ilustra essa estrutura.

Estrutura dos triacilgliceróis tri acilgliceróis 1

1

CH2 

2

CH

OH

3

CH2 

 C1

OH

  Glicerol

 

 O

 O

OH

O

O

 C1

  2

CH

O O

  3

 

CH2 

O

C O C O C

Triacilglicerol

R1 R2

 O O

 C1

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH  

 CH  

 CH   2

CH

CH2

CH2

 CH2

 CH

 9

CH2 

CH2

 CH2

  1

3

CH

CH2

 9

O

 CH2  

 CH2

 CH

CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

 CH2

18CH3

18CH3

 CH2

 CH2

  12

R3

16CH3

1-palmitoleil-2-linoleoil-3-estearoilglicerol

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: VOET; VOET; PRATT, 2014, p. 244. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

150

A função principal dessas moléculas nos animais é atuar como reserva de energia. Elas são armazenadas em grandes quantidades em células chamadas adipócitos, que estão distribuídas em diversas regiões do corpo. Também podem atuar como isolantes térmicos e proteger os organismos contra impactos.

6.2 Lipídeos estruturais e funcionais Como vimos anteriormente, os lipídeos possuem outras funções além da reserva de energia, pois essas moléculas estão presentes como importantes constituintes de estruturas celulares e também podem ser utilizados como precursores de outras moléculas. Os lipídeos são as estruturas fundamentais formadoras das membranas biológicas. Estas, são formadas por uma dupla camada de lipídeos que possuem a capacidade de interagir com o ambiente hidrofílico da célula. Essa característica dos lipídeos de membrana, conhecida como anpática, foi essencial para o desenvolvimento dos seres vivos. A seguir veremos com mais detalhes os lipídeos estruturais e funcionais.

6.2.1 Fosfolipídeos Fosfolipídeos são lipídeos constituintes das membranas biológicas que apresentam um grupamento fosfato em sua estrutura. Existem dois tipos de fosfolipídeos: aqueles formados por glicerol (glicerofosfolipídeos (glicerofosfolipídeos)) e os formados por esngosina (esngolipídeos). pídeos ). Nos glicerofosfolipídeos, o grupamento fosfato está ligado a uma molécula de álcool e a uma molécula de glicerol dissubstituída com ácidos graxos. Esse grupamento fosfato, mais o álcool, confere a essa região da estrutura uma alta polaridade. Os esngolipídeos apresentam uma molécula de esngosina ligada a uma molécula de ácido graxo e a um grupamento polar. As esngomielinas são importantes represen tantes dessa classe, sendo utilizadas como formadores das células que formam as bainhas de mielina dos axônios.

 

BIOQUÍMICA

 

151

Estrutura de fosfolipídeos Fosfolipídeos

Glicerofosfolipídeos

Esfingolipídeos

Ácido graxo        l      o      r      e      c       i        l

Ácido graxo

      G

     a      n       i      s      o      g      n        fi      s       E

PO4   Álcool

Ácido graxo

PO4   Colina

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 363. (Adaptado).

Portanto, os fosfolipídeos apresentam uma parte da molécula com característica apolar e outra porção, representada pelo grupamento fosfato, com característica polar. Essa dupla característica dos fosfolipídeos, chamada de anfipática, é fundamental em uma molécula que participa da formação das membranas celulares. A parte polar fica para os lados externo e interno da célula, diretamente em contato com os meios extra e intracelular, essencialmente aquosos. A porção apolar, por sua vez, fica no lado interno da bicamada lipídica, sem contato com o meio aquoso. Veja na figura a seguir a representação esquemática de um fosfolipídeo e da membrana lipídica. Perceba que a cabeça hidrofílica do fosfolipídeo, tanto do lado externo, quanto do lado interno da membrana, permite que a membrana fique em contato com água.

 

BIOQUÍMICA

 

152

Representação Representaç ão do fosfolipídeo e da membrana lipídica Ômega-3 Fosfolipídeo

Cabeça hidrofílica

Bicamada lipídica Fosfolipídeo Membrana celular

Caudas hidrofóbicas Célula

A

B

Proteína

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: © CLUSTERX / / Shutterstock. (Adaptado).

Vimos que os lipídeos de membrana derivados do glicerol ou da esfingosina que contêm um grupamento fosfato em sua estrutura são denominados fosfolipídeos. A seguir veremos os lipídeos que contêm açúcar em sua estrutura.

6.2.2 Glicolipídeos Os glicolipídeos são os lipídeos de membrana que apresentam açúcares em suas estruturas. Podem ser divididos em galactolipídeos galactolipídeos   (sulfolipídeos) e glicoesfingolipídeos.. Os galactolipídeos contêm resíduos de galactose ligados a uma molécula de glideos cerol substituída por dois ácidos graxos. Caso, em vez de galactose, exista uma glicose sulfatada, a denominação correta é sulfolipídeo. Os galactolipídeos e os sulfolipídeos são abundantes nas células vegetais. Nos glicoesfingolipídeos, a esfingosina está ligada a um ácido graxo e um monossacarídeo ou oligossacarídeo. Entre os glicoesfingolipídeos existem aqueles que contêm monossacarídeos em sua estrutura e são chamados de cerebrosídeos e globosídeos. Os esfingolipídeos que possuem oligossacarídeos em sua estrutura se chamam gangliosídeos. Essas moléculas desempenham importantes funções, como o reconhecimento celular, e estão distribuídas nos tecidos neurais. Na figura a seguir estão representadas as diferentes estruturas dos glicolipídeos.

 

BIOQUÍMICA

 

153

Estruturas dos glicolipídeos Glicolipídeos

Glic Gl icoe oesfi sfing ngol olip ipíd ídeo eoss

Gala Ga lacto ctolilipí píde deos os (s (sul ulfo folilipí píde deos os))

Ácido graxo      a      n       i      s      o      g      n        fi      s       E

Ácido graxo

       l      o      r      e      c       i        l       G

Mono ou oligossacarídeo

Ácido graxo Mono ou dissacarídeo

 

(SO4–)

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 363. (Adaptado).

 

Os glicoesfingolipídeos que carregam os oligossacarídeos A e B integram a membrana eritrocitária e formam os grupos sanguíneos. Assim, quem tem o oligossacarídeo A tem sangue do tipo A; oligossacarídeo B, sangue tipo B; e oligossacarídeos oligossacarídeos A e B, sangue tipo AB. O tipo sanguíneo O se caracteriza por ter um monossacarídeo a menos no oligossacarídeo.

Todos os lipídeos estruturais que estudamos até agora possuem ácidos graxos em sua estrutura. A seguir veremos uma classe muito especial de lipídeos que não contém ácidos graxos em sua composição, os esteroides.

6.2.3 Esteroides Os esteroides são os lipídeos que não apresentam ácidos graxos em suas estruturas. Estão presentes na maioria dos eucariotos e são derivados de um núcleo comum, chamado ciclopentanoperhidrofenantreno ou núcleo esteroide. Este é constituído por quatro anéis conjugados, conjugados, nomeados nomeados A, A , B, C e D. A estrutura química do núcleo esteroide com a numeração dos átomos de carbono está indicada na figura a seguir.

 

BIOQUÍMICA

 

154

Núcleo esteroide 18 12

17

11 19

 

C

1

13

D

9

16

15 14

2

8

10

A

 

B

3

7 5 4

6

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: MURRAY et al., 2013, p. 146. (Adaptado).

Esse núcleo é derivado do isopreno e é um precursor comum de pigmentos, algumas vitaminas lipossolúveis, hormônios e sais biliares, além de ter papel de formador de membranas celulares. Existem diversos tipos de esteroides, sendo que nos vegetais o principal é o estigmasterol; nos fungos é o ergosterol; e nas células animais, o colesterol. A seguir analisaremos com mais detalhes o colesterol colesterol,, molécula extremamente importante para o organismo dos animais.

6.2.4 Colesterol O colesterol é um esteroide de grande importância para as células animais, pois está presente na constituição das membranas biológicas, sendo também precursor de várias moléculas, como os hormônios sexuais, os mineralocorticoides, o cortisol e também os sais biliares. Existem duas fontes possíveis para obtenção de colesterol: a endógena e a exógena. Na endógena, o colesterol é obtido por uma via metabólica especíca de síntese e tem como precursor o mevalonato; na via exógena, a fonte é a dieta. Sua estrutura é composta pelo núcleo esteroide formado por quatro anéis fundidos, aos quais estão ligados uma cadeia lateral alquila apolar, no carbono 17, e um grupo cabeça polar, no carbono 3. Esse grupo cabeça, representado por uma hidroxila, possui um caráter polar, que confere à molécula a capacidade de interagir com a água. Entretanto, o restante da molécula é essencialmente hidrofóbico. Sendo assim, o colesterol é anpá tico, ou seja, consegue interagir com a água e com compostos hidrofóbicos. Na gura a seguir, é possível observar a estrutura do colesterol.

 

BIOQUÍMICA

 

155

Estrutura do colester colesterol ol Cadeia lateral alquila

H

22

24

26

21 20

11 19

1 2

10

A 5

3

HO Grupo-cabeça

9

B

H

C

23

27

17 13

16

D

H 14 8

25

H

18

12

15

H Núcleo esteroide

7

    O     C     i    r     b    a     F       ©

6

4

polar

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 368. (Adaptado).

A presença da molécula de colesterol nas membranas celulares oferece mais resistência ao tecido devido à rigidez estrutural conferida pela presença dos anéis benzênicos no núcleo esteroide. O colesterol também é fundamental como precursor da síntese dos hormônios lipofílicos, como os sexuais (estrogênio, progesterona e testosterona), e também o cortisol e a aldosterona. Além disso, essa molécula é importante no processo digestório das gorduras da dieta, pois atua como precursor para a síntese de ácidos biliares. Os esteroides derivados do colesterol estão ilustrados na gura a seguir.

Esteroides Estero ides derivados do colester colesterol ol O

OH

OH OH

HO H

H H

H

H

H

O

O  Testosterona  T estosterona

Cortisol

OH

O

O

OH

HO H H HO

 

H H

H O

 

H     O     C     i    r     b    a     F  

β-Estradiol

Aldosterona

    ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 372. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

156

O colesterol pode ser encontrado no organismo de duas formas: como colesterol livre, com sua hidroxila livre, e como éster de colesteril. Na forma de éster, a hidroxila do carbono 3 sofre uma reação de esterificação com um ácido graxo, catalisada pela ação de duas enzimas: a lecitina colesterol acil transferase (LCAT), presente no plasma, ou da acil-CoA colesterol acil transferase (ACAT), presente no interior das células. A principal diferença entre essas duas formas é a solubilidade, pois o éster de colesteril é muito mais lipossolúvel que o colesterol livre, que apresenta uma hidroxila polar.

6.3 Lipoproteí Lipoproteínas nas Vimos que existem diversos lipídeos nos organismos, que podem ser classificados de acordo com sua função. O que os caracteriza quimicamente é sua baixa solubilidade em água. Agora aprenderemos de que maneira ocorre o transporte dessas moléculas pelo organismo, tendo em vista que o sangue é um ambiente essencialmente aquoso e os lipídeos não são solúveis nesse meio. Para o transporte dos lipídeos existem estruturas específicas chamadas de lipoproteínas, que são formadas por lipídeos e por proteínas que apresentam solubilidade em água. A seguir veremos com mais detalhes a estrutura das lipoproteínas.

6.3.1 Estrutura de lipoproteínas As lipoproteínas são constituídas de um núcleo hidrofóbico, contendo basicamente moléculas de triacilglicerol e ésteres de colesteril de baixa solubilidade em água, que, portanto, não cam em contato direto com o ambiente externo aquoso do plasma sansan guíneo. Na porção externa dessas estruturas existem fosfolípideos, colesterol livre e apoproteínas. A ilustração a seguir mostra a estrutura básica de uma lipoproteína.

Estrutura de lipoproteínas li poproteínas Apoproteína B-100 Fosfolipídeo Ester de colesteril Colesterol não esterificado

 Triglicerídeo

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: © ellepigraca / / Shutterstock. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

157

Existem várias classes de lipoproteínas e, apesar de todas elas apresentarem uma estrutura comum, as apoproteínas e a quantidade e variedade de lipídeos transportados por elas podem diferir significativamente. Além disso, cada lipoproteína é sintetizada em um local específico. A quantidade de lipídeos presente em uma lipoproteína, em relação ao seu teor de apoproteínas, é fundamental para a determinação da sua densidade final. Quanto maior o teor de lipídeos, menor será a densidade dessa lipoproteína. Assim, as lipoproteínas foram classificadas de acordo com sua densidade, a saber: a de densidade muito baixa (VLDL – Very Low Density Lipoprotein), a de densidade intermediária (IDL – Intermediary Interme diary Density Lipoprot Lipoprotein ein), a de densidade baixa (LDL – Low Density Lipoprotein), a de densidade alta (HDL – High Density Lipoprotein) e o quilomícron, a de mais baixa densidade. Na tabela a seguir você poderá conferir o conteúdo lipídico e as diferentes apoproteínas presentes nas lipoproteínas.

Composição Composiç ão das lipoproteínas plasmáticas Q ui l o m í cr o n s

Densidade (g · cm – ³ ) Diâmetro da partícula (A)

V LDL

IDL

LDL

H DL

< 0 ,95

< 1,0 0 6

1 , 0 0 6 – 1 , 0 19

1,019 –1,0 63

1,063 –1,210

7 5 0 –1 2 . 0 0 0

30 0 – 800

250 –350

18 0 –25 0

5 0 –120

5. 0 0 0 –10.0 0 0

2.300

175 – 3 6 0

10.000–

Massa da p ar tí tícula (kDa)

4 0 0. 0.0 0

% Proteínaa 

1, 5 –2 , 5

5 –10

15 –20

2 0 –2 5

4 0 – 55

% Fosfolipídeosa

7– 9

15 –20

22

15 – 2 0

20 – 35

% Colesterol livrea

1– 3

5 –10

8

7 – 10

3–4

% Triacilgliceróisb

8 4 – 89

5 0 – 65

22

7 – 10

3 –5

% É s te r e s d e co l e s t e r i l b

3 –5

10 –15

30

35 – 4 0

12

B–100, C–I,

B–100, C–I,

C–II, C–III, E

C–II, C–III, E

A–I, A–II, Principais apolipoproteín apolipoproteínas as

B– 48, C–I, C–II, C–III, E

80.000

a. Componentes da superfície b. Lipídeos do núcleo

Fonte: VOET; VOET; PRATT, PRATT, 2014, p. 660. (Adaptado).

A–I, A–II, B–100

C–I, C–II, C–III, D, E

 

BIOQUÍMICA

 

158

Portanto, as lipoproteínas são estruturas formadas por lipídeos e apoproteínas que possuem como função o transporte de lipídeos pela circulação sanguínea. A seguir veremos quais são os tipos e funções das apoproteínas.

6.3.2 Apoproteínas

As apoproteínas ou apolipoproteínas são estruturas proteicas, presentes nas lipoproteínas, que possuem importantes funções biológicas. Elas são responsáveis pela solubilização dos lipídeos no plasma, pois são essencialmente hidrossolúveis. Também respondem pela ativação ou inibição de algumas enzimas importantes para o metabolismo das lipoproteínas. As lipases lipoproteicas são ativadas pela apoproteína C-II e inibidas pela apoC-III; a lecitina colesterol acil-transferase (LCAT) é ativada por apoA-I e inibida por A-II. Além disso, essas apolipoproteínas também são fontes de reconhecimento celular. Por exemplo, a apoproteína B-100 é o sítio de reconhecimento pelos hepatócitos e células do tecido periférico para que a lipoproteína LDL possa ser retirada da circulação por endocitose. Agora que já vimos a estrutura das lipoproteínas, estudaremos a seguir a função de cada uma delas no transporte e no metabolismo de lipídeos no organismo.

6.4 Metabolismo de lipoproteínas As lipoproteínas são estruturas que possuem a função de transportar lipídeos na circulação sanguínea. Esses lipídeos podem ser divididos em duas classes: os endógenos, produzidos e armazenados em nosso corpo; e os exógenos, oriundos da dieta. Portanto, para o entendimento do metabolismo das proteínas é fundamental o conhecimento do tipo, da origem e do destino do lipídeo transportado. O nosso estudo do metabolismo das lipoproteínas se iniciará com o quilomícron, a lipoproteína que realiza o transporte dos triacilgliceróis oriundos da dieta.

 

BIOQUÍMICA

 

159

6.4.1 Digestão de lipídeos e formação de quilomícron Podemos utilizar lipídeos oriundos de diferentes fontes: aqueles obtidos por meio da dieta, os produzidos em nosso organismo e também os armazenados nos adipócitos. Quando ingerimos eles precisam serpelo digeridos moléculas menores para serem absorvidos. Oslipídeos, sais biliares, produzidos fígadoem a partir do colesterol, são essenciais para emulsicar essas gorduras e permitir que as lipases intestinais consigam romper as ligações éster presentes nos triacilgliceróis ingeridos na dieta. Pela ação das lipases pancreáticas, ocorre a formação de ácidos graxos livres e outros derivados, como os monoacilgliceróis e diacilgliceróis. Na forma de ácidos graxos livres, essas moléculas conseguem atravessar as microvilosidades intestinais e serem absorvidas. No interior das células intestinais, esses ácidos graxos serão utilizados para formar triacilglicerol no retículo endoplasmático liso. Já no retículo endoplasmático rugoso é feita a síntese das apoproteínas B-48, CII e demais, que posteriormente serão utilizadas, juntamente com os os quilomícrons. triacilgliceróis,Do o colesterol livre, o éster deos colesteril e os fosfolipídeos, para formar retículo endoplasmático, triglicerídeos e as apoproteínas vão para o complexo de Golgi, onde são unidos para formar o quilomícron. Depois disso, o quilomícron vai para uma vesícula de secreção, de onde posteriormente sofrerá exocitose para ser liberado para o sangue. Destaca Destaca-se -se que os quilomícrons são lipoproteínas essencialmente formadas por triacilgliceróis, pois aproximadamente 85% do seu peso é desses lipídeos. Esse predomínio de triacilgliceróis também confere a essa lipoproteína a menor densidade entre todas. Os quilomícrons serão liberados na circulação linfática e posteriormente chegarão à circulação sanguínea, onde alcançarão as células. Nos vasos sanguíneos, a aproproteína CII ativa a lipase lipoprotéica e faz a quebra das ligações éster dos triacilgliceróis, gerando ácidos graxos livres que poderão atravessar as membranas biológicas e entrar nas células. Esses ácidos graxos podem ser utilizados para a geração de energia ou podem ser novamente reestericados, formar triacilgliceróis e ser armazenados no tecido adiadiposo. Conra na gura a seguir como é a formação dos quilomícrons.

 

BIOQUÍMICA

 

160

Formação dos quilomícrons Sais biliares provenientes do   fígado

1

Grandes glóbulos de gordura provenientes do estômago

1

Os sais biliares provenientes do fígado cobrem as gotas de gordura

2

A lipase e a colipase pancreáticas quebram gorduras em monoglicerídeos e ácidos graxos estocados em micelas.

Emulsão Lúmen do intestino delgado

Lipase e colipase

Reciclagem de sais biliares

2

3a

Monoacilgliceróis e ácidos graxos movem-se para fora das micelas e entram nas células por difusão.

3b

O colesterol é transportado para dentro das células por um transportador de membrana.

4

Os lipídeos absorvidos combinam-se com o colesterol e proteínas nas células intestinais para formar os quilomícrons.

5

Os quilomícrons são liberados dentro do sistema linfático.

Micelas 3b 3a

RE liso Triacilgliceróis eróis + 4 Triacilglic Célula do intestino delgado

colesterol + proteínas Quilomícron

Aparelho de Golgi

5

Líquido interstical Capilar

Lactífero

Linfa para a veia cava

    O     C     i    r     b    a     F       ©

SILVERT RTHOR HORN, N, 2010 p. 707. 707. (Adaptado). (Adaptado). Fonte: SILVE

À medida que ocorre a liberação dos triacilgliceróis, os quilomícrons reduzirão de tamanho e serão convertidos em quilomícrons remanescentes. Estes, por sua vez, serão retirados da circulação pelo fígado mediante o reconhecimento de suas apoproteínas. No fígado, caso esses ácidos graxos não sejam utilizados como fonte geradora de energia ou como precursores para outras moléculas, poderão, juntamente com outros

lipídeos e apoproteínas formados pelo fígado, formar for mar a lipoproteína VLDL.

 

BIOQUÍMICA

 

161

6.4.2 Formação do VLDL A lipoproteína de muito baixa densidade (ou VLDL) é sintetizada no interior dos hepatócitos a partir de triacilgliceróis oriundos da dieta que não são utilizados para acorporados geração denaenergia. Triacilgliceróis produzidos pelo próprio fígado são inVLDL. Além disso, contém colesterol sintetizado no também fígado, ésteres de colesteril, fosfolipídeos e apoproteínas. As apoproteínas presentes na VLDL são a apoB-100, apoC-I, apoC-II, apoC-III e apoE. Além disso, quando a dieta é rica em carboidratos não utilizados, ocorre a conversão metabólica dessas moléculas em triacilgliceróis no fígado e eles serão transportados até os adipócitos pela VLDL. A figura a seguir mostra como se forma a VLDL. Perceba que a VLDL é produzida no interior do retículo endoplasmático liso (REL) e liberada na forma de vesículas a partir do complexo de Golgi (G) para fora do hepatócito, atingindo o lúmen do vaso sanguíneo.

Formação da VLDL

RER

N REL

Canalículo biliar

G

VLDL

Janela ET

Célula endotelial E

Lúmen do sinusoide sanguíneo

Fonte: MURRAY et al ., ., 2013, p. 240. (Adaptado).

    O     C     i    r     b    a     F       ©

 

BIOQUÍMICA

 

162

Portanto, a função da VLDL é carrear principalmente os triacilgliceróis do fígado até o tecido adiposo e o músculo. À medida que ela é transportada pela circulação, a apoC-II ativa as lipases lipoprotéicas presentes no endotélio vascular. Essa enzima quebra as ligações éster dos triacilgliceróis, liberando ácidos graxos livres que conseguem atravessar as membranas biológicas de células musculares e adiposas. Conforme a VLDL libera as moléculas de triacilgliceróis para os tecidos, ela se converte em uma estrutura diferente da produzida pelo fígado e passa a ser chamada de IDL. Esta, também continua levando triacilgliceróis para os tecidos, até que passa a ser chamada de lipoproteína de baixa densidade ou LDL. Dessa forma, a produção de IDL e LDL ocorre na circulação sanguínea e terá como fonte precursora a VLDL.

6.4.3 LDL e HDL A lipoproteína de baixa densidade ou LDL é uma estrutura rica em colesterol livre e ésteres de colesteril exportados pelo fígado. Sua função principal é levar colesterol para as células dos tecidos periféricos. A figura a seguir ilustra a lipoproteína LDL.

Lipoproteína LDL ster de colesteril

 

Apolipoproteína B-100

Fosfolipídeo Colesterol não esterificado

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: VOET; VOET; PRATT, 2014, p. 661. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

163

Você deve ter percebido que a principal apolipoproteína da LDL é a B-100. Essa apolipoproteína possui receptores especícos nas células periféricas e nos hepatócitos. A gura a seguir demonstra o processo de retirada da LDL da circulação por endocitose.

Endocitose da LDL mediada pelo receptor para apoB-100 Ésteres de ApoB-100 colesteril Partícula LDL

Membrana plasmática

O receptor de LDL

2  liga apoB-100 da LDL,

iniciando a endocitose. 3 LDL é internalizado

em um endossomo.

4 O receptor de LDL é Golgi

segregado em vesículas e reciclado na superfície. Lisossomo

1 O receptor de LDL

RE

5 O endossomo com LDL

sintetizado no retículo endoplasmático rugoso move-se para a membrana plasmática via sistema de Golgi.

Aminoácidos Núcleo

fusiona-se com o lisossomo. 6

Ácidos graxos

Enzimas líticas no lissosomo degradam apoB-100 e ésteres de colesteril, liberando aminoácidos, ácidos graxos e colesterol.

Colesterol Gotículas de gordura

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 868. (Adaptado).

A LDL LDL será  será retirada da circulação quando a apoB-100 se ligar aos seus receptores hepáticos ou do tecido periférico e sofrer recaptação por endocitose. Qualquer alteração no receptor para B-100 no hepatócito e/ou alteração da conformação da apoB-100 impactará diretamente na remoção da LDL da circulação sanguínea.

A hipercolesterolemia familiar é uma doença genética caracterizada por uma alteração no gene do receptor para apoB-100. Indivíduos portadores têm níveis altos de LDL devido à dificuldade de remover essa lipoproteína do sangue, o que aumenta o risco de desenvolvimento

    O     C     i    r     b    a     F       ©

de doenças cardiovasculares.

 

 

BIOQUÍMICA

 

164

Esse colesterol que retorna ao fígado pela LDL é fundamental para controlar a síntese endógena de colesterol nesse órgão. O excesso de colesterol intracelular inibe a enzima reguladora da síntese de colesterol, hidroximetilglutaril (HMG) colesterol redutase e também inibe, em nível de expressão proteica, a síntese de receptores hepáticos de apoB-100. A lipoproteína de alta densidade (HDL) é responsável pelo transporte reverso do colesterol, ou seja, é a única lipoproteína que retira o colesterol em excesso nas células periféricas e leva até o fígado, onde esse lipídeo pode ser utilizado como precursor, por exemplo, para a síntese de sais biliares. A HDL é produzida no intestino delgado e no fígado, com um pequeno conteúdo de colesterol livre e diversas apoproteínas, entre elas apoA-I, apoA-II, apoA-IV, entre outras. Além disso, as HDL contêm em sua superfície a enzima LCAT, responsável pela formação dos ésteres de colesteril. À medida que a HDL transita pelos tecidos periféricos, ela capta o colesterol das células e também das partículas de quilomícrons e VLDL presentes na circulação sanguínea. O colesterol livre é convertido em ésteres de colesteril por meio da catálise da LCAT LCA T e esse éster é transportado no interior das HDL. A retirada dos ésteres de colesteril transportados pela HDL ocorre no momento em que a lipoproteína interage com receptores presentes no fígado, chamados de SRBI. Os lipídeos são transferidos para o interior do hepatócito e a HDL retorna para a circulação, onde faz a retirada de mais moléculas de colesterol das células e das outras lipoproteínas. A figura a seguir mostra o transporte de colesterol e triacilgliceróis realizado pelas lipoproteínas plasmáticas.

 

BIOQUÍMICA

 

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Transporte de colester colesterol ol e triacilgliceróis no sangue Gordura da dieta Colesterol Fígado

Colesterol endógeno

da dieta

HDL

Ácidos biliares

LDL

 

Células extra-hepáticas

Vesícula biliar IDL Tecido adioso Grandes gotas de lipídeos

VLDL

Estômago Intestino   Remanescentes delgado de quilomícrons

Lipase lipoproteica

ricos em colesterol Triacilglicerol   Micelas

Células musculares Vaso sanguíneo Ácidos graxos Quilomícrons

Rota exógena Rota endógena

Linfa intestinal

Fonte: VOET; VOET; PRATT, PRATT, 2014, p. 662. (Adaptado).

O conhecimento sobre o metabolismo das lipoproteínas plasmáticas é fundamental para o entendimento do metabolismo dos lipídeos em nosso organismo. Os níveis de algumas das lipoproteínas no sangue são utilizados até para o cálculo do fator de risco para doenças cardiovasculares. A seguir veremos de que maneira os níveis da lipoproteína LDL estão relacionados ao desenvolvimento da aterogênese.

6.4.4 Aterogênese A aterosclerose é a doença caracterizada pela formação da placa aterosclerótica. É definida como uma doença inflamatória crônica, multifatorial, que ocorre em resposta a uma agressão endotelial, principalmente em artérias de médio e grande ca-

    O     C     i    r     b    a     F       ©

libres (XAVIER, 2013). A formação dessa placa ateroesclerótica ou aterogênese ocorre após uma lesão no endotélio. Essa lesão estimulará uma resposta inflamatória crônica, que culminará, após uma série de etapas, na formação da placa.

 

BIOQUÍMICA

 

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Os principais fatores de risco para a formação dessa placa são hipertensão arterial, tabagismo e níveis aumentados da lipoproteína LDL. A LDL possui um papel fundamental na formação da placa, pois, após a lesão endotelial, essa lipoproteína entra na camada íntima das artérias, principalmente nas de médio e grande calibres. No interior da camada íntima, ela não consegue retornar à circulação e acaba sofrendo reações oxidativas mediadas por espécies reativas de oxigênio e gerando uma partícula chamada de LDLoxidada (LDLox). Essa estrutura oxidada é reconhecida pelo nosso sistema imune como estranha e ocorre o desenvolvimento de uma resposta inflamatória em reação a sua presença na camada íntima arterial. Dessa forma, são atraídas células de defesa para a região, como linfócitos e monócitos. Estes se diferenciam em macrófagos que, por sua vez, fagocitarão as LDLox. Esses macrófagos que contêm partículas de LDLox em seu interior são denominados células espumosas. Além das células de defesa, ocorre a migração e a proliferação das células musculares lisas da camada média, que formarão uma capa fibrosa ao redor da placa aterosclerótica. Portanto, uma placa aterosclerótica é formada por células, restos celulares e de matriz extracelul ex tracelular ar e em seu interior existem lipídeos e um núcleo necrótico. necrótico. O desenvolvimento dessa placa está demonstrado na figura a seguir:

Formação da placa aterosclerótica 2 Monócitos atraídos para a região das lipoproteínas oxidadas.

7

Monócito Lúmen da artéria

Gotículas de éster de colesterila acumulados

Parede da artéria

Célula espumosa

Macrófago

1 Lipoproteínas oxidadas se agregam e aderem à matriz extracelular ex tracelular..

Placas ricas em colesterol.

3

4

Os monóctios se diferenciam em macrofágos.

As células espumosas (macrófagos) ingerem as lipoproteínas.

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 872. (Adaptado).

6 Apoptose, necrose, dano tecidual. Célula espumosa carregada com colesterol

5 Colesterol livre acumula-se em gotículas nas membranas

    O     C     i    r     b    a     F       ©

 

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Dessa forma, o excesso de LDL se deposita na camada íntima das artérias e sofre modificações oxidativas que formarão a placa aterosclerótica, que poderá ocasionar a obstrução da passagem de sangue ou provocar o rompimento dessa estrutura, com extravasamento de seu conteúdo altamente trombogênico para a circulação sanguínea. Sendo assim, a placa aterosclerótica é a maior causa de infarto agudo do miocárdio e de acidentes vasculares cerebrais. Neste capítulo, vimos que os lipídeos são biomoléculas com importantes funções na formação de estruturas e componentes celulares, como os fosfolipídeos, glicolipídeos e esteróis. Além disso, os lipídeos são a mais importante reserva de energia dos animais na forma de triacilgliceróis. Também aprendemos sobre as lipoproteínas, estruturas fundamentais para o transporte de lipídeos na circulação sanguínea e importantes para o entendimento do metabolismo lipídico.

 

BIOQUÍMICA

 

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Referências ALBERTS, B. et al . Fundamentos da Biologia Celular. 3. ed. Porto Alegre: Artmed, Ar tmed, 2011. MURRAY, R. K. et al . Bioquímica Ilustrada de Harper. 29. ed. Porto Alegre: AMGH/ Artmed, 2013. NELSON, L. D.; COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 201 2014. 4. SMITH, C.; MARKS, A. D.; LIEBERMAN, M. Bioquímica Médica Básica de Marks: uma abordagem abordag em clínica. 2. ed. Porto Alegre: Artmed, Ar tmed, 2007. VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W. Fundamentos de Bioquímica: a vida em nível molecular. 4. ed. Porto Alegre: Artmed, 2014. XAVIER, H. T. et al . V Diretriz Brasileira de Dislipidemias e Prevenção da aterosclerose. Arquivos Brasileiros de Cardiologia, Rio de Janeiro, v. 101, n. 4, Suplemento 1, out. 2013. Disponível em: . Acesso em: 11/12/2015.

 

7 Metabolism Metabolismoo de lipí lipídeos deos e prot proteínas eínas Você sabia que os lipídeos e as proteínas são biomoléculas fundamentais para os seres vivos? Os primeiros possuem funções estruturais e também representam a mais importante reserva energética dos animais. As proteínas, por sua vez, são moléculas que apresentam a maior diversidade de funções entre todas as biomoléculas, desde a função estrutural até a catalítica. Para os seres humanos, elas não possuem a função de reserva de energia, mas em algumas condições específicas, como o jejum prolongado, por exemplo, podem ser utilizadas para a geração de energia. Neste capítulo, veremos as principais reações metabólicas relacionadas a essas biomoléculas. As reações de degradação de lipídeos são fundamentais como fonte de energia em situações de déficit energético. Já as reações catabólicas das proteínas acontecem na renovação normal de proteínas celulares e durante o jejum prolongado. Também estudaremos as reações anabólicas dos ácidos graxos, triacilgliceróis e o mais importante esterol das nossas células: o colesterol. Estudaremos ainda o destino do grupamento amino, oriundo das reações de oxidação dos aminoácidos, e sua eliminação na forma de ureia. O primeiro tópico deste capítulo abordará uma via metabólica geradora de energia muito importante: a lipólise.

 

As reações catabólicas são aquelas que envolvem a degradação de moléculas maiores em produtos menores, com a liberação de energia. O inverso disso é chamado de anabolismo, no qual moléculas menores são unidas e formam uma estrutura maior. No anabolismo, normalmente há consumo de energia.

7.1 Lipólise A lipólise é o processo que envolve a degradação das moléculas de triacilglicerol com o intuito de gerar energia. Quando quebradas, elas produzem ácidos graxos livres e glicerol. Os ácidos graxos livres originarão as moléculas de acetil-CoA, que poderão ser oxidadas no ciclo do ácido cítrico e gerar NADH e FADH 2, que, por meio da fosforilação oxidativa, originarão as moléculas de ATP. Nos países industrializados, em média 40% das necessidades energéticas diárias são supridas pela utilização dos triacilgliceróis como fonte de energia e em alguns órgãos, como o fígado, pode chegar a 50% (NELSON; COX, 2014).

A seguir mostraremos de que maneira ocorre a mobilização dos triacilgliceróis armazenados nos adipócitos, a degradação dessas estruturas e como esse processo é regulado por sinalização hormonal.

 

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7.1.1 Mobilização Mobilização dos triacilgliceróis do tecido adiposo Os triacilgliceróis são armazenados no tecido adiposo em forma de gotículas no citoplasma das células e sofrem continuamente reações de lipólise (degradação) e et al., 2013). A intensidade e o momento em reesterificação, ou ocorrem seja, síntese (MURRAY que essas reações dependem de um complexo sistema de sinalização, que envolve hormônios e está diretamente relacionado à dieta e a fatores metabólicos próprios do indivíduo.

Os principais hormônios relacionados com a lipólise são o glucagon, liberado pelo pâncreas em resposta a uma redução da glicemia, e a adrenalina, liberada do córtex adrenal em situações de estresse físico ou mental. Ambos desempenham importante papel como ativador das reações de lipólise. Uma vez liberados, esses hormônios se ligam em receptores presentes na membrana celular dos adipócitos e iniciam a ativação de uma cascata de sinalização, que culminará na ativação de uma enzima chamada lipasedas sensível a hormônio, triacilglicerol-lipase. A função dessa enzima é catalisar quebra ligações éster das moléculas de triacilglicerol e formar ácidos graxos livresa (AGL) e glicerol. Essa reação está demonstrada na figura a seguir.

Degradação  do triacilglicerol  Triacilgliceróis  Tria cilgliceróis         l       o       r       e       c         i         l       g

ác. graxo

 Triacilglicerol  Triacilglicerol lipase

Glicerol

ác. graxo

+

ác. graxo

3 ác. graxos

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Os ácidos graxos livres e o glicerol são liberados na circulação sanguínea. O glicerol será captado da circulação pelas células do fígado e dos rins e será convertido a gliceraldeído-3-fosfato em uma série de reações, cuja enzima principal é chamada de glicerol quinase e está presente apenas nos hepatócitos e células renais. Essas reações estão indicadas na figura a seguir.

 

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  Conversão Con versão do glicerol em intermediários Glicerol

Glicerol-quinase

L

-Glicerol-3-fosfato

Glicerol-3-fosfato-desidrogenase

Diidroxicetona fosfato

 Trio  Tr iose se-f -fos osfa fato to-i -iso some mera rase se

D

-Gliceraldeído-3-fosfato     O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 671. (Adaptado).

Na circulação, os ácidos graxos livres se ligam em grande parte à albumina, uma proteína plasmática, e dessa forma podem ser transportados até as células-alvo. A entrada dos ácidos graxos nas células ocorre por meio de um transportador de membra-

na específico. Ao entrar nas células, o ácido graxo poderá sofrer degradação através de uma via catabólica que ocorre no interior da mitocôndria, chamada de β-oxidação.

 

BIOQUÍMICA

 

172

7.1.2 β-oxidação dos ácidos graxos A β-oxidação é uma via metabólica que tem como função básica degradar os ácidos graxos em acetil-CoA, que posteriormente poderão ser utilizados no ciclo do ácido cítrico para a geração de ATP. Essa via ocorre na maioria das células eucarióticas, em especial, nas células do músculo esquelético e nas células do músculo cardíaco. Nos eritrócitos não há essa via, pois são células que não possuem mitocôndria. A β-oxidação ocorre em três estágios: ativação, transporte e degradação. Os áciáci dos graxos são ativados no citoplasma e transportados até a matriz mitocondrial por meio de um transportador específico. Já a degradação ocorre no interior da mitocôndria. Vamos ver com atenção como acontecem os três estágios. A ativação ativação   acontece pela reação do ácido graxo livre com uma molécula de coenzima A na presença de ATP, mediante a ação catalisadora da enzima acil-CoA sintetase. Essa reação envolve o rompimento de duas ligações fosfodiéster do ATP de alta energia, com consequente formação de AMP e PPi (pirofosfato). Conra a seguir essa reação.

Reação de ativação de ácido graxo Ácido graxo + CoA + ATP acil-CoA sintetase

acil-CoA graxo + AMP + PPi

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 670. (Adaptado).

Após a ativação do acil-CoA graxo (R-CO-SCoA), ele passa pela membrana mitocondrial externa e seda ligaação à carnitina – transportador específico deI. grupamentos acil ativados – por meio da enzima carnitina acil-transferase A reação do acil-CoA graxo com a carnitina forma a acil-carnitina (R-CO-carnitina). Na membrana mitocondrial interna existe o transportador acil-carnitina/carnitina, que tem a função de levar o acil para o interior da matriz mitocondrial, onde o acil-carnitina é convertido em acil-CoA graxo (R-CO-SCoA) novamente por meio da reação com uma molécula de coenzima A mitocondrial. Essa reação é catalisada pela carnitina acil-transferase II. Na figura a seguir você pode conferir o transporte do acil-CoA para a matriz mitocondrial.

 

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Transporte do acil-CoA para a matriz mitocondrial Membrana mitocondrial externa

Citosol

Membrana mitocondria mitocondriall interna

Espaço intermembrana

Matriz Carnitinaaciltransferase ll

O R

C

R S-CoA

4

O

1

R

C

Carnitinaaciltransferase l

3 O R

CoA-SH

C S-CoA

Carnitina

2

Carnitina

O

C

CoA-SH Carnitina

 

Transportador

Fonte: NELSON; COX, 2006, p. 629. (Adaptado).

Após entrar na mitocôndria, o acil-CoA graxo (R-CO-SCoA) será degradado a partir de um ciclo de reações chamado β-oxidação. Na primeira reação do ciclo ocorre a redução de uma molécula de FAD, formando FADH2 com os dois elétrons e dois prótons oriundos da oxidação dos carbonos α e β do acilgraxo. Essa reação é catalisada pela enzima acil-CoA desidrogenase e forma-se uma ligação dupla entre os carbonos α e β dos ácidos graxos. Na segunda reação, rompe-se a dupla ligação em um mecanismo dependente da presença de água (hidrólise) e catalisado pela enzima enoil-CoA hidratase. A terceira etapa é novamente uma reação de oxidação, na qual ocorrerá a saída de dois prótons e dois elétrons do carbono β; portanto, a oxidação acontecerá nesse carbono. O carbono β é oxidado e uma molécula de NAD+  é reduzida a NADH. A enzima que catalisa essa reação é chamada de β-hidroxiacil-CoA desidratase.

Na terceira etapa da degradação dos ácidos graxos, ocorre uma reação de oxidação no carbono β do grupamento acil. Essa é a reação que nomeia a via metabólica como β-oxidação.

O último estágio da β-oxidação consiste na quebra da ligação entre os carbonos α e β, catalisada pela ação enzimática da tiolase. Essa reação também é dependente de

    O     C     i    r     b    a     F       ©

coenzima A.

 

BIOQUÍMICA

 

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No nal de um ciclo de reações de β-oxidação, temos a formação de uma molécula molé cula de acetil-CoA e um acil-CoA graxo com dois carbonos a menos quando comparado ao do início da via metabólica. Além disso, ocorre a formação de uma molécula de NADH e uma de FADH2. Conra o conjunto de reações de β-oxidação na gura a seguir. Observe que o acil-CoA graxo que inicia a sequência de reações possui 16 carbonos (C16).

Ciclo de reações de β-oxidação β

(C16)

R

 

CH2   CH2

α

CH2   C

S-CoA

O   Palmitoil-CoA FAD

Acil-CoA-desidrogenase

FADH2

H R   CH2   C

C

C

S-CoA trans-∆2Enoil-CoA

H O Enoil-CoAhidratase-

H2O

OH R   CH2   C

CH2   C

H

O

S-CoA L-β-Hidroxiacil-CoA

 

NAD+

β-hidroxiacil-CoA-

NADH + H+

-desidrogenase

R   CH2   C

CH2   C

O

O

Acil-CoA-acetiltransferase (tiolase)

S-CoA  

β-Cetoacil-CoA

CoA-SH

(C14)   R   CH2   C

S-CoA + CH3   C

O

O

Acil-CoA

S-CoA

Acetil-CoA

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 673. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

175

Agora, preste atenção no seguinte exemplo: em um acil-CoA graxo com 18 carbonos, o estearoil-CoA, forma, após oito ciclos de β-oxidação, nove moléculas de acetilacetil -CoA, oito de NADH e oito de FADH 2. Cada acetil-CoA promove um giro completo no ciclo do ácido cítrico e forma três moléculas de NADH, uma de FADH 2  e uma de GTP (ATP). Portanto, nove acetil-CoA geram nove voltas no ciclo, o que fornece 27 NADH, 9 FADH2 e 9 ATPs, somente quando consideramos o rendimento do ciclo do ácido cítrico. Somando a isso, os NADH e FADH2 produzidos a cada ciclo de β-oxidação, teremos, no nal, 35 NADH, 17 FADH2 e 9 ATPs. Lembrando que cada NADH origina 2,5 ATPs na fosforilação oxidativa e cada FADH2 gera 1,5 ATP, nosso cálculo nal cará assim: (35 × 2,5) + (17 × 1,5) + 9 ATPs = ATPs = 122 ATPs. Não podemos esquecer que, no início da degradação, cada acil-CoA precisa ser ativado, sendo que na ativação ocorre consumo de ATP, mais especificamente, a quebra de duas ligações fosfodiéster, o que equivale ao consumo de 2 ATPs. Portanto, precisamos retirar os dois ATPs investidos na ativação, e ficamos com 120 ATPs de ATPs de saldo final da degradação de um ácido graxo com 18 carbonos. O processo de degradação do estearoil-CoA (18:0) pode ser observado na figura a seguir.

Degradação do estearoil-CoA (18:0) 18 carbonos

1 NADH, 1 FADH2 e 1 acetilCoA 16 carbonos

1 NADH, 1 FADH2 e 1 acetilCoA 14 carbonos

1 NADH, 1 FADH2 e 1 acetilCoA 12 carbonos

1 NADH, 1 FADH2 e 1 acetilCoA 10 carbonos

1 NADH, 1 FADH2 e 1 acetilCoA 08 carbonos

1 NADH, 1 FADH2 e 1 acetilCoA 06 carbonos

1 NADH, 1 FADH2 e 1 acetilCoA

Saldo da β-oxidação: β- oxidação: 9 acetil CoA 8 NADH 8 FADH

04 carbonos

1 NADH, 1 FADH2

    O     C     i    r     b    a     F       ©

2 acetilCoA

 

BIOQUÍMICA

 

176

Para a degradação de ácidos graxos com dupla ligação, é necessário que aconteçam duas etapas extras catalisadas por uma enzima isomerase e uma redutase. Isso é de fundamental importância, pois a maioria dos nossos ácidos graxos é insaturada. Grande parte deles possui cadeia com número par de carbonos, entretanto, alguns possuem cadeia ímpar e também precisam ser oxidados. Nesse caso, a β-oxidação acontece normalnormal mente, mas no nal sempre ocorrerá a formação do propionil-CoA, uma molécula com três átomos de carbono. Esse propionil-CoA será convertido convertido a partir par tir de uma série de reações a succinil-CoA e poderá ser utilizado no ciclo do ácido cítrico.

7.1.3 Regulação da lipólise Os triacilgliceróis são a nossa principal reserva energética e devem ser utilizados somente em condições específicas nas quais ocorra falta de energia para as células. Por isso, é necessário que a degradação dos ácidos graxos seja regulada, o que ocorre por meio de sinalização extracelular mediada por hormônios e processos intracelulares. Vimos anteriormente que o glucagon glucagon,, liberado em condições de hipoglicemia, e a adrenalina,, liberada em situações de estresse, podem ativar a mobilização dos ácidos adrenalina graxos no tecido adiposo. Além dessa regulação hormonal, o passo limitante da degradação é o transporte do acil-CoA para a matriz mitocondrial por meio do transportador de carnitina. Esse transporte é inibido por malonil-CoA, o primeiro intermediário da síntese de ácidos graxos. Portanto, na presença de uma condição metabólica de excesso de energia, em que as células estão biossintetizando ácidos graxos e triacilgliceróis, ocorre a inibição da entrada do acil-CoA na matriz mitocondrial e a degradação será inibida.

7.1.4 Cetogênese Determinadas condições metabólicas, como o jejum prolongado ou o diabetes mellitus  descompensado, induzem a um aumento expressivo das reações de degradação de ácidos graxos. Quando isso ocorre, o fígado produz, a partir dos ácidos graxos, excesso de acetil-CoA, e, por isso, as estruturas chamadas de corpos cetônicos são produzidos no hepatócito, vão para a circulação sanguínea e são exportados a outros tecidos a fim de serem utilizados como fonte de energia para outras células.

 

BIOQUÍMICA

 

177

Os corpos cetônicos produzidos no fígado são a acetona acetona,, o β-hidroxibutirato  e o acetoacetato.. A acetona, devido a sua volatilidade, é eliminada pelos pulmões e conacetoacetato fere aos indivíduos que estão com alta produção de corpos cetônicos um hálito característico. O β-hidroxibutirato e o acetoacetato são utilizados pelas células como fonte de acetil-CoA. A produção de corpos cetônicos é predominantemente hepática e possui como precursor o acetil-CoA oriundo da degradação dos ácidos graxos. A partir da condensação de duas moléculas de acetil-CoA, ocorre a formação do acetoacetil-CoA, catalisado pala enzima tiolase. O acetoacetil-CoA reage com a atividade catalisadora da enzima HMG-CoA sintase e com mais uma molécula de acetil-CoA, formando a hidroximetilglutaril-CoA (HMG-CoA). Na reação seguinte, o HMG-CoA forma o acetoacetato e libera acetil-CoA. A partir desse estágio, o acetoacetato pode seguir dois caminhos: ir para a circulação sanguínea ou ser utilizado como substrato para a formação de β-hidroxibutirato e acetona. A reação de produção de β-hidroxibutirato a parpar tir do acetoacetato é reversível, ou seja, dependendo das condições, a enzima é capaz de catalisar a reação para os dois lados. A enzima responsável pela catálise da reação de produção de acetoacetato é a HMG-CoA liase e pela produção de β-hidroxibutirato, a β-hidroxibutirato desidrogenase. As reações de produção de corpos cetônicos estão demonstradas na figura a seguir.

 

BIOQUÍMICA

 

178

Produção Produç ão hepática de corpos cetônicos O CH   C

O SCoA

CH   C   SCoA

+

3

2 Acetil-CoA

3

 Tiolase

CoASH O

CH3   C CH2 Acetoacetil-CoA

C=O SCoA O CH3   C

HMG-CoA-sintase

SCoA

CoASH O

OH CH3   C

CH2   C O

CH2

3-Hidroxi-3-metilglutaril-CoA (HMG CoA)

C  O SCoA HMG-CoA-liase

Acetil-CoA

O

O Acetoacetato

CH3   C   CH2   C   O D-β-Hidroxibutirato-

desidrogenase

NADH   + H+ NAD+

OH

Acetoacetato-decarboxilase

CO2 O

CH3   CH CH

CH2   C O O

CH3   C

D-β-Hidroxibutirato

 

CH3     O     C     i    r     b    a     F       ©

Acetona

Fonte: SMITH; MARKS; LIEBERMAN, 2007, p. 432. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

179

Após serem produzidos no fígado, os corpos cetônicos entram nas células por intermédio da circulação e são utilizados como fonte de acetil-CoA para o ciclo do ácido cítrico. Nas células, o β-hidroxibutirato é reconvertido em acetoacetato e, por meio de uma série de reações, origina duas moléculas de acetil-CoA (SMITH; MARKS; LIEBERMAN, 2007). Na figura a seguir, é possível observar a produção e a exportação de corpos cetônicos.

Produção Produç ão e exportação de corpos cetônicos Fígado

Ácido graxo β-Oxidação Acetil-CoA Acetoacetato β-Hidroxibutirato Corpos cetônicos

 o   l o  s c u   M ú

Acetoacetato

β-Hidroxibutirato

CO2 + H2O

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: SMITH; MARKS; LIEBERMAN, 2007, p. 431. (Adaptado).

Portanto, os corpos cetônicos são importantes fontes de energia para células, em especial às do sistema nervoso central (SNC), durante o jejum prolongado ou no diabetes mellitus descompensado.

7.2 Lipogênese A lipogênese abrange todos os processos que dizem respeito à síntese de lipídeos. São reações anabólicas, que envolvem gasto de energia. Nós somos capazes de sintetizar os lipídeos com função estrutural, como o colesterol e os fosfolipídeos, e também aqueles com função de armazenamento, os triacilgliceróis. Veremos na sequência as vias de síntese de ácidos graxos, de triacilglicerol e de colesterol. Embora esses lipí-

deos tenham funções fisiológicas distintas, o precursor para sua síntese é o mesmo, o acetil-CoA. Na figura a seguir, podemos observar um fluxograma de reações do metabolismo de lipídeos.

 

BIOQUÍMICA

 

180

Metabolismo de lipídeos Triacilgliceróis

Ácidos graxos

Lipídeos de membrana Síntese de ácidos graxos

 

β-oxidação:

NADPH

FADH2

ATP

NADH

Colesterol

 

Acetil-CoA

 

Corpos cetônicos

Fosforilação oxidativa ciclo do ácido cítrico

NADH FADH2 GTP

ATP     O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: VOET; VOET; PRATT, 2014, p. 691. (Adaptado). ( Adaptado).

No tópico seguinte, veremos as reações de biossíntese de lipídeos de reserva, os ácidos graxos e os triacilgliceróis de um importante lipídeo estrutural, o colesterol.

7.2.1 Anabolismo dos ácidos graxos Os ácidos graxos são sintetizados no citoplasma das células, e têm o acetil-CoA como precursor e o NADPH como molécula com poder redutor. A fonte desse acetil-CoA para a síntese de ácidos graxos pode ser a degradação da glicose ou de aminoácidos. Caso a produção de acetil-CoA exceda as necessidades celulares de energia, a célula o desvia para as reações de síntese de lipídeo. Precisamos lembrar que a formação do acetil-CoA a partir do piruvato ocorre na matriz mitocondrial e a síntese dos ácidos graxos é citoplasmática, portanto, é indispensável que o acetil-CoA seja transportado da matriz para o citoplasma. Isso aconte-

ce por meio de um transportador de citrato. Observe na figura a seguir, que o acetil-CoA reage com o oxaloacetato e forma citrato, em uma reação catalisada pela enzima citrato sintase. Você deve lembrar que essa é a primeira reação do ciclo do ácido cítrico, entretanto, quando a célula estiver

 

BIOQUÍMICA

 

181

com níveis adequados de ATP, o ciclo do ácido cítrico ficará inibido. Dessa forma, o citrato acumulado na matriz mitocondrial é levado ao citosol por intermédio de uma proteína transmembrana transportadora de citrato (Sistema de transporte do tricarboxilato). No citosol, o citrato é utilizado para formar oxaloacetato e acetil-CoA em uma reação catalisada pela enzima citrato liase. O oxaloacetato será então convertido a malato e, posteriormente, a piruvato. Finalmente, o piruvato formado pode retornar à matriz mitocondrial. Nesse momento, a molécula de acetil-CoA disponível no citosol e poderá ser utilizada para síntese de ácidos graxos. Veja na imagem seguinte, como ocorre o transporte de acetil-CoA.

Transporte de acetil-CoA Mitocôndria COO CH2 HO

C

COO

Citrato

Membrana mitocondrial interna

Sistema de   transporte do tricarboxilato

Citosol

COO CH2 HO

C

Citrato

COO

CH2

CH2

COO

COO H

ATP + H SCoA SC oA ATP-citrato-liase SCoA

ADP + Pi + CH3   C

Citrato-sintase O SCoA CH3 C  Acetil-CoA

O SCoA

COO C

Oxaloacetato

O

CH2 COO

COO C

+

O

Oxaloacetato

NADH + H Malato-desidrogenase NAD +

CH2 COO

COO Malato

HO

ADP + Pi

H

CH2

Piruvato-carboxilase HCO3 + ATP

C

COO +

NADP Enzima málica NADPH   + CO2 NADPH

COO

COO

C

C

O

O

    O

Piruvato

    C     i    r     b    a     F       ©

Piruvato

CH3

CH3

Fonte: VOET; VOET; PRATT, 2014, 2014, p. 682. 682 . (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

182

A biossíntese de ácidos graxos começa com a produção de um intermediário com três carbonos, chamado de malonil-CoA. Ele será formado a partir da reação entre uma molécula de acetil-CoA com bicarbonato, catalisada pela enzima acetil-CoA carboxilase que possui biotina como coenzima. Essa reação está demonstrada na gura a seguir.

Produção do malonil-CoA O CH3

C  

SCoA

Acetil-CoA

CO2

ATP

Biotina acetil-CoA-

ADP + Pi

-carboxilase

O

O

O

C 

CH2   C Malonil-CoA

SCoA     O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: SMITH; MARKS; LIEBERMAN, 2007, p. 598. (Adaptado).

Após a formação do malonil-CoA, a célula está pronta para fazer a síntese da cadeia dos ácidos graxos. Essa cadeia será formada a partir de uma sequência de quatro reações que se repetem sucessivamente. Para cada conjunto de quatro reações, ocorre a adição de dois carbonos. Tais reações são catalisadas por um complexo enzimático denominado ácido graxo sintase. Conforme mostra a imagem seguinte, a sequência de reações inicia com a adição do grupo malonila, oriundo do malonil-CoA, e do grupo acetila, proveniente do acetil-CoA.

 

BIOQUÍMICA

 

183

Sequência de reações de síntese dos ácidos graxos O

O  

Grupo malonil

C

CH2   C

S

O Grupo acetil

(primeiro grupo acil)

CH3   C O

Condensação

S Ácido graxo-sintase

1

CO2 O CH3   C

O CH2

C

β   α

S

HS

NADPH   + H+ Redução

2

NADP+

H

O

CH3   C

CH2   C

S

OH HS

Desidratação

3

H2O O H CH3   C

C

C

S

H HS

NADPH   + H+ Redução

4

NADP+

O

CH3   CH2   CH2   C Grupo acil saturado, aumentado em dois carbonos

S

HS

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 835. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

184

Na primeira reação ocorre a condensação dos dois carbonos do acetila com dois carbonos do malonila e a liberação de uma molécula de CO 2. A segunda é de redução do carbono β-cetônico e formação de um álcool a partir de uma molécula de NADPH. Na terceira etapa, acontece uma reação de desidratação, com a saída de uma molécula de água e formação de uma dupla ligação entre os carbonos α e β. Na última rea ção, uma molécula de NADPH será utilizada para reduzir a ligação dupla e formar um grupamento acil saturado. Podemos ver que, após a finalização dessa sequência de reações, temos a formação de um grupamento acil com quatro carbonos. Na próxima etapa, esse grupamento acil com 4 carbonos passa para o sítio que tinha o grupo acetila e um novo malonila entra no sítio que foi liberado. Com isso se inicia uma nova série de quatro reações. Isso ocorre até que seja formado o palmitoil, com 16 carbonos. Portanto, a cada novo ciclo de reações ocorre a adição de dois novos carbonos à cadeia carbônica até atingir 16 carbonos (palmitoil) – nesse estágio, o grupamento acil desliga-se do complexo enzimático da ácido graxo sintase. Para formação de ácidos graxos mais longos, existe, no retículo endoplasmático liso e na mitocôndria, um sistema de alongamento de ácidos graxos responsável por acrescentar mais carbonos à estrutura básica do palmitoil. As duplas ligações serão incorporadas por meio da atividade catalítica de um acil-CoA graxo dessaturase dessaturase.. Veja na figura a seguir como ocorre a síntese de outros ácidos graxos.

Dessaturases são enzimas que colocam duplas em posições específicas nas cadeias dos ácidos graxos (AG). Mamíferos são incapazes de produzir duplas em alguns locais da cadeia, como por exemplo em ∆12 . Assim, alguns AG são essenciais, como ácido linoleico (18:2 cis ∆ 9,12 ).

 

BIOQUÍMICA

 

185

Síntese de outros ácidos graxos Palmitato 16:0 Dessaturação Alongamento

Palmitoleato 16:1(9)

Estearato 18:0 Alongamento Dessaturação

Oleato 18:1(9)

Ácidos graxos saturados de cadeia mais longa

Dessaturação (Apenas em plantas)

Linoleato 18:2(9,12) Dessaturação (Apenas em plantas)

α-Linoleato 18:3(9,12,15)

Dessaturação

 γ-Linolenato 18:3(6,9,12) Alongamento

Eicosatrienoato 20:3(8,11,14) Dessaturação

Outros ácidos graxos poli-insaturados

Araquidonato 20:4(5,8,11,14)

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 842. (Adaptado).

    O     C     i    r     b    a     F       ©

 

BIOQUÍMICA

 

186

Até aqui, vimos o modo pelo qual os ácidos graxos são sintetizados quando nossas células estão com suas necessidades energéticas supridas, todavia, nós não armazenamos ácidos graxos livres, mas sim triacilgliceróis! Para que isso ocorra, os ácidos graxos precisam ser adicionados a uma molécula de glicerol-3-fosfato. A seguir veremos com mais detalhes essas reações.

7.2.2 Síntese dos triacilgliceróis A síntese dos triacilgliceróis tem como precursor a molécula de glicerol-3-fosfato, que pode ser oriunda da glicólise ou da produção da enzima glicerol-quinase. À molécula do glicerol 3-fosfato são adicionados dois grupamentos acila, mediante a catálise da enzima acil-transferase, originando o ácido fosfatídico, cuja síntese é mostrada na figura a seguir.

Síntese do ácido fosfatídico O Glicerol-3-fosfato-aciltransferase

CH2   OH HO

C

H

CH2   O   PO23 Glicerol-3-fosfato

CH2   O HO

O R

C

SCoA

H

C

C

R

H

CH2   O   PO23

SCoA

Ácido lisofosfatídico

O R’

C   SCoA

1-acilglicerol-3-fosfatoaciltransferase

H

SCoA O

O R’

CH2

C   O   C CH2

O   C H O

Ácido fosfatídico

Fonte: VOET; VOET; PRATT, PRATT, 2014, p. 690. (Adaptado).

R

PO23

    O     C     i    r     b    a     F       ©

 

BIOQUÍMICA

 

187

O ácido fosfatídico poderá ser utilizado para formar triacilglicerol e glicerofosfolipídeos, dependendo das necessidades celulares. Para a formação do nosso lipídeo de armazenamento, são necessárias duas enzimas: ácido fosfatídico fosfatase, para formar o diacilglicerol, e acil-transferase, para a formação do triacilglicerol. Para a formação de glicerofosfolipídeos, é adicionado um grupo cabeça polar ao ácido fosfatídico. Acompanhe a síntese de triacilgliceróis e glicerofosfolipídeos na imagem a seguir.

Síntese de triacilgliceróis e glicerofosfolipídeos O CH2   O C R1 O CH   O C   R2 Ácido fosfatídico O CH2   O P O O Ácido fosfatídico-fosfatase (lipina)

 

O CH2   O C R1 O

O

CH   O C   R2

CH2   O C R1 O

CH2OH 1,2-Diacilglicerol

O R3 C

Acil-transferase

Ligação do grupo polar (serina, colina, etanolamina, etc.)

S-CoA CoA-SH

CH   O C   R2 O CH2   O P O

Grupo polar

O Glicerofosfolipídeo

O CH2   O C R1 O CH   O C   R2 O CH2   O C   R3

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Triacilglicerol Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 849. (Adaptado).

 

BIOQUÍMICA

 

188

As reações de síntese dos triacilgliceróis são estritamente reguladas de acordo com as necessidades celulares de energia. Veremos, no próximo tópico, de que maneira a lipogênese é regulada.

7.2.3 Regulação da lipogênese O ponto-chave de regulação da síntese de ácidos graxos é a atividade da enzima acetil-CoA carboxilase. Essa regulação, a ser observada na figura a seguir, pode ocorrer pela modificação covalente ou pela regulação alostérica.

Regulação da lipogênese Citrato Insulina desencadeia a ativação

Citrato-liase

Acetil-CoA

Acetil-CoA-carboxilase

 

Malonil-CoA

Glucagon e adrenalina desencadeiam fosforilação/ inativação

Ativação

Palmitoil-CoA

Inibição

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 842. (Adaptado).

A regulação por modificação covalente é feita por intermédio dos hormônios insulina, glucagon e adrenalina. A insulina promove a desfosforilação da acetil-CoA carboxilase e aumenta sua atividade, ao passo que o glucagon e a adrenalina inibem sua atividade por fosforilação. Quando entendemos que a insulina é liberada em condições de aumento dos níveis glicêmicos, faz todo sentido pensar que esse hormônio estimulará a síntese de lipídeos, que são a principal reserva energética dos seres humanos.

 

BIOQUÍMICA

 

189

A regulação alostérica é feita pelo citrato, que estimula a atividade da acetil-CoA carboxilase. Precisamos lembrar de que o citrato só sairá da mitocôndria e originará o acetil-CoA no citoplasma quando o ciclo do ácido cítrico estiver inibido por ATP. O palmitoil-CoA inibe a formação do malonil-CoA por meio de um mecanismo de retroalimentação.

7.2.4 Síntese do colesterol A síntese do colesterol, cujo processo está ilustrado na figura a seguir, ocorre em todas as nossas células e tem como precursor a molécula de mevalonato. Na síntese de colesterol, acontece a síntese do isopreno a partir da união de duas moléculas de acetil-CoA e da formação do acetoacetil-CoA, que reage com mais um acetil-CoA e origina o hidroximetilglutaril-CoA (HMG-CoA). A conversão deste em mevalonato pela ação catalítica da HMG-CoA redutase é o passo limitante da velocidade dessa via metabólica e o principa principall local de síntese que sofre regulação regulação..

A inibição da atividade da enzima HMG-CoA redutase é o alvo dos fármacos chamados estatinas. As estatinas são utilizadas em pacientes que apresentam níveis de colesterol sanguíneo aumentados. Sua função é inibir a síntese endógena de colesterol e reduzir o risco de doenças cardiovasculares.

O mevalonato formado na primeira etapa reagirá com 3 ATPs e formará o isopreno ativado. Seis unidades de isopreno ativado condensarão para originar o esqualeno, que, após uma série de reações, formará o colesterol.

 

BIOQUÍMICA

 

190

Síntese do colesterol 3 CH3   COO   Acetato 1

CH3 OOC

CH2   C

CH2   CH2   OH

OH

Mevalonato

2

CH3 CH2   C

O CH2

CH2   O

P

O O

O

isopreno

P

O

O

isopreno ativado 3

2

Esqualeno 4

HO Colesterol

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 860. (Adaptado).

Essa molécula de colesterol poderá ter uma série de destinos metabólicos dife-

rentes e poderá originar outras moléculas, como os hormônios sexuais, os mineralocorticoides (aldosterona) e os glicocorticoides (cortisol). Também poderá ser utilizado como constituinte das membranas celulares.

 

BIOQUÍMICA

 

191

7.3 Metabolismo de aminoácidos Os aminoácidos, que são os constituintes básicos formadores das proteínas, assim como os açúcares e os lipídeos, podem ser utilizados como fonte geradora de energia para os animais. Um aspecto importante de suas reações catabólicas catabólicas é que, independentemente do tipo de aminoácido, todas gerarão a liberação de um grupamento amino. As reações de biossíntese de aminoácidos, que, por sua vez, servirão como matéria-prima para a formação de proteínas, são extremamente complexas. Porém todos os precursores para a formação dos aminoácidos são oriundos da glicólise, do ciclo do ácido cítrico ou da via das pentoses-fosfato (NELSON; COX, 2014).

7.3.1 Digestão e absorção de proteínas A maior parte dos aminoácidos consumidos em nossa dieta estão na forma de grandes polipeptídeos ouest proteínas, sendo, portanto, queção as poss proteínas se- jam degradadas degr adadas em suas estru ruturas turas fun fundamen damentais tais paraessencial que a absor absorção possa a aconte acontecer. Existem dois tipos de enzimas que realizam essa função: as endopeptidases endopeptidases,, que rompem as ligações peptídicas no interior da proteína; e as exopeptidases exopeptidases,, responsáveis pela quebra dessas ligações nas extremidades proteicas. Essas enzimas são produzidas pelo estômago e pelo pâncreas. Após o rompimento das ligações peptídicas, os aminoácidos serão absorvidos no intestino delgado por meio de transportadores especícos. A grande parte dos aminoáaminoá cidos é absorvida por um cotransportador de sódio, sendo que alguns são dependentes de H+ (SILVERTHORN, 2010). Dessa forma, os aminoácidos chegam à circulação sanguínea e poderão ser utilizados nas reações de síntese proteica ou sofrer oxidação para gerar energia.

7.3.2 Oxidação de aminoácidos Os aminoácidos podem sofrer oxidação e gerar energia nos animais em três situações diferentes. A primeira condição ocorre durante as reações de síntese e degradação de proteínas celulares. A segunda decorre do fato de que nós, humanos, não somos capazes de armazenar aminoácidos; portanto, quando a dieta é rica nesses compostos e superior às necessidades celulares de síntese, também ocorrerá a oxidação. A terceira condição é uma forma de a célula se adaptar a situações de déficit ener-

gético, em que precisará utilizar os aminoácidos como fonte de ATP. São elas: o jejum prolongado e o diabetes mellitus descompensado.

 

BIOQUÍMICA

 

192

A oxidação dos aminoácidos inicia-se com a transferência do grupamento amino dos aminoácidos para o α-cetoglutarato e formação de glutamato e um α-cetoácido (aminoácido sem grupamento amino) pela ação catalítica das aminotransferases. Esse grupamento amino participará de uma sequência de reações que culminará com a produção de ureia no fígado e posterior eliminação renal. A reação de transferência do grupamento amino (transaminação) está demonstrada na figura a seguir. É importante ressaltar que a atividade das aminotransferases é dependente de piridoxal fosfato (PLP) e existem diferentes tipos de enzimas de acordo com o tipo de aminoácido, como a alanina aminotransferase.

Reação de transaminação de aminoácidos COO

COO +

C

O

H3N

C

H

CH2

CH2

CH2

CH2

COO

COO

α-Cetoglutarato

L-Glutamato

PLP Aminotransferase

COO

COO

C

C

+

H3N

H

R L-Aminoácido

O

R  

α-Cetoácido

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 699. (Adaptado).

O glutamato atua como transportador do grupamento amino coletado na maioria das reações de transaminação. Veremos a seguir os destinos desse grupamento amino. Os α-cetoácidos formados quando os aminoácidos perdem seus grupamentos amino podem ser direcionados para a gliconeogênese, a cetogênese ou podem ser oxi-

dados pelo ciclo do ácido cítrico. Os aminoácidos que podem originar glicose na gliconeogênese são chamados de glicogênicos. Aqueles que formam acetil-CoA e podem originar corpos cetônicos são denominados cetogênicos.

 

BIOQUÍMICA

 

193

Oxidação de aminoácidos Aminoácido

Amônia

NH3

Amônio

NH4+

  Respiração celular

CO2 + H2O

Cadeia carbonada Gliconeogênese

Glic Gl icos ose e

Ureia

Acet Ac etil il-C -CoA oA

Cetogênese

Corpos cetônicos

    O     C     i    r     b    a     F       ©

Fonte: VOET; VOET; PRATT, 2014, p. 719. (Adaptado). (Adap tado).

O grupamento amino, oriundo da degradação de aminoácidos do músculo esquelético, possui um sistema de transporte específico, mediado pela alanina. Veremos esse sistema de transporte no próximo tópico.

7.3.3 Ciclo de glicose-alanina O ciclo glicose-alanina é uma importante forma de transporte do grupamento amino, formado a partir das reações de transaminação de aminoácidos degradados no músculo esquelético. Quando os aminoácidos são degradados como fonte de energia para o músculo esquelético, ocorre a reação de transferência do grupamento amino para o α-cetoglutarato, com consequente formação do glutamato. Este, por sua vez, transfere o grupamento amino para o piruvato e forma alanina, que vai para a circulação sanguínea e chega até o fígado. Nesse órgão, ela transfere o amino para o α-cetoglutarato e forma glutamato novamente, além de piruvato. Esse glutamato será utilizado para transportar o grupamento amino até o ciclo da ureia. O piruvato poderá formar glicose por meio da gliconeogênese. Essa glicose entra na circulação e poderá ser utilizada como fonte de energia para as células musculares. A figura a seguir demonstra o ciclo glicose-alanina.

 

BIOQUÍMICA

 

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Ciclo glicose-alanina Proteína muscular Aminoácidos

Músculo

+

NH 4

Glicose

Piruvato Glicólise

Glutamato

Alanina-aminotransferase

α-Cetoglutarato Alanina Alanina sanguínea

Glicose sanguínea

Fígado

Alanina

α-Cetoglutarato

Alanina-aminotransferase

Glutamato Glicose

Piruvato Gliconeogênese +

NH 4

Ciclo da ureia

Ureia

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 703. (Adaptado).

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BIOQUÍMICA

 

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Vimos o modo pelo qual os nossos músculos fazem os grupamentos amino, oriundos dos aminoácidos degradados, chegarem até o fígado. No tópico seguinte, veremos as reações anabólicas, nas quais ocorre a síntese de aminoácidos.

7.3. .3.44 Síntese Síntese de aminoácidos Para sintetizar aminoácidos, é importante lembrar que essas moléculas são formadas por um esqueleto carbônico, chamado de α-cetoácido, e por um grupamento amino. Apesar de haver apenas 20 aminoácidos diferentes nas proteínas encontradas na natureza, todos os α-cetoácidos são formados a partir dos mesmos intermediários metabólicos, que podem ser oriundos da via das pentoses fosfato, do ciclo do ácido cítrico ou da via glicolítica. As fontes principais de grupamentos amino são a glutamina e o glutamato. Na figura a seguir estão representadas as principais reações de biossíntese de aminoácidos.

 

BIOQUÍMICA

 

196

Reações de biossíntese de aminoácidos Glicose

Glicose-6-fosfato 4 passos

4 passos

Ribose-5fosfato

Histidina

Eritrose-4fosfato

 

 Triptofano  Triptofano Fenilalanina  Tirosina

3-Fosfoglicerato

Serina

Fosfoenolpiruvato

Glicina Cisteína

Piruvato

Alanina Valina Leucina Isoleucina

Citrato

Oxaloacetato

Aspartato

Asparagina

 

α-Cetoglutarato

Glutamato

Metionina  Treonina Lisina

Glutamina Prolina Arginina

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Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 891. (Adaptado).

 

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197

É importante ressaltar que somos capazes de sintetizar apenas alguns dos 20 aminoácidos, os chamados aminoácidos não essenciais. Os demais deverão ser obtidos necessariamente por meio da dieta.

7.4 Destino do grupo amino Como vimos anteriormente, o glutamato representa um importante transportador de grupamentos amino coletados durante a oxidação de aminoácidos nas células. Ele levará os grupamentos amino até o fígado para que ocorra sua conversão em ureia, com posterior eliminação urinária. Nos hepatócitos, o glutamato seguirá até a mitocôndria e na matriz, pela ação da glutamato desidrogenase, liberará amônio e formará α-cetoglutarato. Além do glutamato, a glutamina constitui uma significativa forma de transporte do amônio produzido em alguns tecidos, como o cérebro e os rins. A amônia reage com o glutamato e forma glutamina no tecido. Essa glutamina no hepatócito originará novamente o glutamato, devido à ação da enzima glutaminase, que se encontra na mitocôndria do hepatócito. Confira na figura seguinte o destino do grupamento amino.

Destino do grupamento amino  

α-Aminoácido

α-Cetoácido

 Transaminação  Trans aminação α-Cetoglutarato   L-Glutamato Desaminação-oxidativa +

NH4

CO2

Ciclo da ureia Ureia

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Fonte: MURRAY et al ., ., 2013, p. 274. (Adaptado).

 

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Vimos, portanto, que o grupamento amino oriundo da oxidação dos aminoácidos pode ser levado ao fígado por intermédio de três transportadores: glutamato, alanina e glutamina. Esse grupo amino forma amônio (NH4+) – composto extremamente tóxico para as células – e precisa ser convertido em uma molécula menos tóxica e que pode ser eliminada. Essa conversão de amônio em ureia pelos hepatócitos ocorre em uma via metabólica chamada de ciclo da ureia.

7.4.1 Ciclo da ureia O ciclo da ureia é fundamental para os organismos produtores de amônio (NH 4+). O amônio é extremamente tóxico e precisa ser convertido em um composto que pode ser excretado pelos rins, a ureia. O ciclo se inicia na mitocôndria e tem algumas reações citosólicas. Para iniciar a descrição do ciclo da ureia, localize na figura a seguir o NH 4+ na matriz mitocondrial. Perceba que esse composto chega até a mitocôndria por intermédio da glutamina ou do glutamato. Agora olhe com atenção a ação da enzima carbamoil-fosfato-sintetase I sobre o NH 4+. Ela forma o carbamoil-fosfato. Nessa reação, são utilizadas uma molécula de bicarbonato e 2 ATPs. O carbamoil-fosfato formado reage com a ornitina e forma citrulina na primeira reação do ciclo da ureia. A citrulina sai da mitocôndria e reage com o aspartato no citosol, formando argininossuccinato em uma reação dependente de ATP. O argininossuccinato será convertido à arginina e ocorre a liberação de fumarato. A arginina forma ornitina e libera ureia, que, formada no citoplasma dos hepatócitos, vai para a circulação sanguínea e é excretada por meio de filtração glomerular pelos rins. A ornitina volta para a matriz mitocondrial onde pode iniciar novamente o ciclo.

 

BIOQUÍMICA

 

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Ciclo da ureia + NH3

+ NH3

CH3   CH COO– Alanina (do músculo)

R CH COO– Aminoácidos NH + 3

O C H2N

Ornitina-transcarbamoilase Argininosuccinato sintetase

-Cetoglutarato α-Cetoácido + NH3

α

COO–

CH2   CH2   CH Glutamina (dos tecidos extra-hepáticos)

–

Argininosuccinase Arginase

COO–

OOC CH2   CH2   CH Glutamato

O

Glutamina –

glutaminase

OOC

CH2

COO–

C  

Oxaloacetato

Glutamato

Glutamato-desidrogenase   Aspartato-aminotransferase α-Cetoglutarato

+ NH4

Aspartato

+ NH3

HCO3 2 ATP 2 ADP + Pi

–

O C

+ NH3 (CH2)3   C H Ormitina

COO–

C H

O O

O–

P O–

Pi

+ H3N

CH2

Carbamoil-fosfato-sintetase i CarbamoilH2N -fosfato

Matriz mitocondrial

OOC

O COO–

H2N

C

+ NH3

  NH

(CH2)3   CH   COO–

Citrulina

Citosol

Citrulina ATP

PPi

+ H3N

+ 3 NH

+ NH3 (CH2)3   C H

H2N COO– O

Ciclo da ureia

Ureia

O C

H2N

C

CH2

O

H OH

NH NH

N

N H

N

H

Intermediário citrulil-AMP

OH

+ NH3

Aspartato

+ NH3 (CH2)3   C H

NH2 N

O

H H2O

O–

P

NH2

+ NH2

(CH2)3   CH   COO–

NH

O

Ornitina

H2N

C

– –

CO O

OOC

CH2

C H

COO–

Arginina

AMP

+ NH2

COO– –

OOC

CH2

C H

Fumarato

COO–

–

 

OOC

CH2

CH

 

NH

C

+ NH3 NH

(CH2)3   C H

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COO–

Arginino-succinato

Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 705. (Adaptado).

 

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O ciclo da ureia ocorre constantemente no nosso organismo e pode ser influenciado diretamente por algumas situações metabólicas, patológicas ou até mesmo pelos alimentos que consumimos. Dessa forma, a regulação desse ciclo é vital para a excreção de resíduos metabólicos. A seguir, veremos de que forma ocorre a regulação do ciclo da ureia.

7.4.2 Regulação do ciclo da ureia A regulação do ciclo da ureia ocorre de duas maneiras: por meio da expressão das enzimas do ciclo e da carbamoil-fosfato-sintetase I. A expressão das enzimas é basicamente regulada pela dieta. Indivíduos com dietas ricas em proteínas ou que estejam em condições metabólicas que necessitam dos aminoácidos como fonte de energia, como o jejum, possuem aumento na expressão das enzimas do ciclo. Dietas com baixo conteúdo proteico inibem a expressão das enzimas do ciclo da ureia. Outra maneira de regulação é pelo N-acetil-glutamato, composto ativador alostérico da carbamoil-fosfato-sintetase carbamoil-fosfato-sintetase I, que estimula a formação do carbamoil fosfato e, consequentemente, de ureia. Estudamos neste capítulo as principais reações de degradação e síntese de lipídeos e proteínas. Vimos que as reações de degradação de lipídeos são fundamentais nas situações de déficit energético como fonte de energia. Também vimos que as reações de oxidação dos aminoácidos ocorrem durante a renovação normal de proteínas celulares e o jejum prologado. Além disso, verificamos quais são os destinos metabólicos do grupamento amino oriundo dessas reações. Tratamos, ainda, das reações de síntese dos lipídeos de armazenamento e do nosso principal esterol, o colesterol.