Livro Unidade 05 - Transformação e Armazenamento de Energia: Degradação, Síntese e Manutenção Energética a partir de Lipídios, Proteínas e Glicogênio no Organismo Humano
A unidade aborda a continuidade do estudo das vias de degradação de biomoléculas para obtenção de energia para as células.
Discute as vias de degradação de ácidos graxos, derivados de triglicerídeos, e seu rendimento energético elevado.
Explora a degradação de aminoácidos, provenientes de proteínas, destacando a remoção do grupo amina e a oxidação da cadeia carbônica, com o nitrogênio sendo excretado como ureia.
Detalha o metabolismo do glicogênio (glicogenólise e glicogênese) como reserva de glicose no fígado e músculo esquelético, crucial para a manutenção da glicemia e para o fornecimento de energia celular.
Apresenta a gliconeogênese, o processo de síntese de glicose a partir de precursores não carboidratos (aminoácidos, lactato e glicerol), fundamental para suprir a demanda de tecidos dependentes de glicose, como as células nervosas, durante o jejum.
Enfatiza que as vias de degradação de diferentes moléculas orgânicas convergem para Acetil CoA, evidenciando a simplicidade biológica e a interconexão do metabolismo.
Introdução da Unidade 5
Professora/Autora da Unidade: Dr.ª Márcia Cristina de Souza Lara Kamei.
Autoria da Obra: Marcia Cristina de Souza Lara Kamei.
Editora: Unicesumar.
Páginas no Livro Original: 339-396.
Assunto Central: O assunto central da Unidade 5 é a "Transformação e Armazenamento de Energia: Degradação de Lipídios e Proteínas". A unidade aborda as vias metabólicas de degradação de compostos orgânicos para a obtenção de energia.
Contexto da Unidade: Dando continuidade aos conceitos de fornecimento de energia para as células da Unidade anterior (Unidade 4), esta unidade aprofunda a degradação de lipídios e proteínas.
Foco da Unidade: Apresentar vias de degradação, calcular rendimentos energéticos, discutir custo/benefício metabólico, e explorar a gliconeogênese e o metabolismo do glicogênio.
Degradação de Triacilgliceróis
Conceito Geral: Abordagem das vias de degradação de compostos orgânicos, rendimentos energéticos e relação custo/benefício metabólico.
Fontes de Energia:
Carboidratos: Elementos energéticos primordiais.
Ácidos graxos (derivados de triglicerídeos): Rendem um número muito maior de ATPs que a degradação de glicose.
Aminoácidos (derivados da degradação de proteínas): Usados em situações de privação de carboidratos.
Recursos Metabólicos: Células apresentam recursos metabólicos para manter o fornecimento constante de moléculas para fins energéticos.
Início da Mobilização:
Ação da enzima lipase.
Lipase hormônio-sensível: Ativação controlada por hormônios.
Cliva a molécula de triglicerídeos, liberando glicerol e ácidos graxos.
Fonte: MARZZOCO; TORRES (2012).
Degradação do Glicerol
Destino: Convertido em glicerol 3-fosfato.
Conversão: Glicerol 3-fosfato convertido em Diidroxiacetona fosfato.
Gasto Energético: Consome 1 molécula de ATP.
Redução: Transfere hidrogênios para NAD+, formando NADH+H+ (que rende 3 ATPs na cadeia transportadora de elétrons).
Via de Continuidade: Diidroxiacetona fosfato segue a via de degradação da glicose.
Produtos Intermediários: O piruvato produzido é convertido em Acetil CoA e encaminhado para o ciclo do ácido cítrico.
Cadeia Transportadora de Elétrons: NADH e FADH2 são encaminhados para a fosforilação oxidativa.
Rendimento: 22 ATPs formados a partir da degradação do glicerol.
Tabela 1 - Resumo dos produtos produzidos na degradação do glicerol:
Degradação do glicerol: 1 NADH, Gasta 1 ATP.
Degradação de Dihidroxiacetona fosfato: 1 NADH, 2 ATPs/GTPs.
Formação de Acetil CoA: 1 NADH.
Ciclo do ácido cítrico: 3 NADH, 1 FADH2, 1 ATP/GTP.
Custo Energético: Gasto de dois ATPs (devido à quebra de duas ligações de grupo fosfato).
Localização: Acil CoA graxo está no espaço intermembranoso após a reação.
Transporte
Destino: Acil coA graxo é degradado na matriz mitocondrial.
Barreira: Membrana interna da mitocôndria é impermeável a acil CoA graxo.
Mecanismo: Acil CoA é ligada à molécula de carnitina (disponível no espaço intermembranoso).
Enzima: Catalisada pela enzima carnitina-acil-transferase (existe em duas isoformas - I e II).
Sequência de Eventos:
Face externa da membrana interna: carnitina-acil-transferase I transfere grupo acila da Acil CoA para a carnitina, formando acil-carnitina.
Acil-carnitina resultante é transportada por uma proteína transmembrana específica.
Face interna da membrana interna: acil-transferase II doa o grupo acila de acil-carnitina para uma coenzima A presente na matriz mitocondrial, formando uma nova acil-CoA e liberando a carnitina.
Carnitina retorna para o espaço intermembranoso por meio da mesma proteína transportadora.
β-oxidação - Ciclo de Lynen
Local: Ocorre na matriz mitocondrial.
Mecanismo: Oxida o carbono β do ácido graxo.
Estrutura: Consiste em uma série cíclica de quatro reações.
Produtos: Ao final, a acil-CoA fica com dois carbonos a menos, liberando uma molécula de Acetil CoA, FADH2 e NADH.
Ácidos Graxos Pares: Para ácidos graxos com número par de carbonos, as reações cíclicas são realizadas até que fique uma acil-CoA com quatro carbonos, da qual serão formadas duas moléculas de Acetil CoA na última sequência.
Número de Carbonos: O número de acetil-CoA formados será a metade do número de carbonos, e um a menos de NADH e FADH2.
Exemplo (ácido graxo de 16 carbonos):
Saldo da β-oxidação: 8 Acetil CoA, 7 NADH, 7 FADH2.
Oxidação das 8 Acetil CoA no ciclo do ácido cítrico (cada Acetil CoA produz 3 NADH, 1 FADH2, 1 GTP): 24 NADH, 8 FADH2, 8 GTPs.
Total de NADH: 7 (β-oxidação) + 24 (ciclo do ácido cítrico) = 31 NADH.
Total de FADH2: 7 (β-oxidação) + 8 (ciclo do ácido cítrico) = 15 FADH2.
Diferença na última volta da β-oxidação: Quando o acilCoA apresenta cinco carbonos, produz uma Acetil CoA e uma molécula de propionil CoA (três carbonos).
Propionil CoA: Convertida a succinil CoA com gasto de 1 molécula de ATP.
Enzimas envolvidas na conversão de propionil CoA: Propionil-CoA carboxilase (contém Biotina), Metilmalonil-CoA racemase, Metilmalonil-CoA mutase (contém B12).
Succinil CoA: Segue a via de degradação no ciclo do ácido cítrico, produzindo 1 NADH + 1 FADH2 + 1 GTP.
Síntese de Ácidos Graxos
Local: Ocorre no citosol.
Transporte de Acetil-CoA: Acetil-CoA formado na mitocôndria é transportado para o citosol na forma de citrato, pois a membrana interna da mitocôndria é impermeável a acetil-CoA.
Clivagem: No citosol, o citrato é clivado em oxaloacetato e acetil-CoA.
Fonte para mais informações: Website bioquimicadanutricao.blogspot.com.br, Autor Reis (2011).
Degradação de Proteínas
Função: Embora fundamentalmente estruturais, as proteínas também podem ser degradadas para fins energéticos.
Renovação: Em um adulto saudável, cerca de 400 g de proteínas são renovadas por dia.
Aminoácidos Excedentes: Não podem ser armazenados no organismo; são oxidados e o nitrogênio é excretado.
Degradação de Aminoácidos
Padrão: Inicia-se com a remoção do grupo amino, seguida da oxidação da cadeia carbônica.
Eliminação do Nitrogênio: O grupamento amino nos mamíferos é convertido em ureia pelo fígado e excretado pelos rins.
Remoção do Grupo Amina: Transferência para o α-cetoglutarato, formando glutamato. A cadeia carbônica do aminoácido é convertida em α-cetoácido correspondente.
Glutamato: Reservatório temporário de grupo amino, encaminhando-o para as vias de excreção.
Destino do Grupamento Amino:
Desaminação: Glutamato libera seu grupo amino na forma de amônia (NH3), que se converte em íon amônio (NH4+). Utiliza NAD ou NADP como coenzima. A enzima é específica para glutamato.
Transaminação: O grupamento amino é transferido para oxaloacetato, formando aspartato e α-cetoglutarato. Aspartato é o segundo depositário de grupo amino.
Precursores de Ureia: Tanto aspartato quanto íon amônio são precursores de ureia.
Fonte: STRYER et al., 2014, Sande (2009), website okulilonguisa.blogspot.com.br.
Eliminação do Grupamento Amino (Ciclo da Ureia)
Síntese de Ureia: Ocorre no fígado a partir de NH4+, aspartato e CO2.
Átomos Constituintes da Ureia: Dois átomos de nitrogênio (NH4+ e aspartato) e um átomo de carbono (CO2).
Transporte: Após a formação no fígado, a ureia é encaminhada aos rins para ser excretada.
Início do Ciclo: Na matriz mitocondrial, com a formação de carbamoil-fosfato (a partir de bicarbonato e amônio), consumindo duas moléculas de ATPs.
Reações no Citosol:
Citrulina reage com aspartato, formando arginino-succinato. Gasto de 1 molécula de ATP hidrolisada a AMP (equivalente a 2 ATPs).
Arginino-succinato decompõe-se em arginina e fumarato.
Arginina é hidrolisada, produzindo ureia e regenerando a ornitina.
Fumarato é degradado no ciclo do ácido cítrico, produzindo 1 NADH (que gera 3 ATPs na cadeia transportadora de elétrons), diminuindo o gasto energético da produção de ureia para 4 ATPs.
Destino dos α-cetoácidos (cadeia carbônica)
Intermediários Metabólicos: Sempre serão intermediários da via de degradação de glicose e/ou da degradação de ácidos graxos, como piruvato, acetil CoA ou intermediários do ciclo do ácido cítrico (oxaloacetato, α-cetoglutarato, succinil CoA e fumarato).
Rendimento de ATPs: Varia de acordo com o precursor.
Dependência Fisiológica: O destino final dos α-cetoácidos depende do estado fisiológico do organismo. Podem seguir para:
Degradação (fornecimento de energia).
Conversão em glicose (gliconeogênese, para manutenção da glicemia).
Conversão em triacilglicerídeos (armazenamento no tecido adiposo).
Classificação dos Aminoácidos:
Aminoácidos glicogênicos: Aqueles cujos α-cetoácidos produzem piruvato ou intermediários do ciclo do ácido cítrico (precursores de glicose).
Exemplos: Ala, Cys, Gly, Ser, Thr, Trp (levam a Piruvato); Asn, Asp (levam a Oxaloacetato); Arg, His, Gln, Glu, Pro (levam a α-Cetoglutarato); Ile, Met, Thr, Val (levam a Succinil-CoA); Asp, Phe, Tyr (levam a Fumarato).
Aminoácidos cetogênicos: Aqueles cujos α-cetoácidos são convertidos em acetil CoA e acetoacetil CoA (podem ser convertidos em ácidos graxos e corpos cetônicos).
Exemplos: Leu, Lys, Phe, Thr, Trp, Tyr, Ile (levam a Acetil-CoA).
Aminoácidos glicocetogênicos: Aqueles que têm parte de suas cadeias carbônicas glicogênica e parte cetogênica.
Exemplos: Phe, Tyr, Trp, Ile, Thr.
Observação: O rendimento em ATPs não será calculado para cada aminoácido devido às suas vias de degradação distintas.
Metabolismo do Glicogênio
Glicogênio: Polímero de glicose, serve como reserva durante os períodos de jejum.
Armazenamento em Mamíferos (incluindo espécie humana):
Fígado: Aproximadamente 100 g de glicogênio hepático.
Músculo Esquelético: Aproximadamente 300 g de glicogênio muscular.
Síntese: Ocorre quando a oferta de glicose na corrente sanguínea é alta, geralmente após uma refeição.
Funções da Degradação do Glicogênio:
Glicogênio Hepático: Fornece glicose para manter a glicemia durante os períodos entre as refeições e no jejum noturno.
Glicogênio Muscular: Degradado para prover energia para a própria célula muscular, importante durante a contração intensa (pode ser degradado anaerobicamente, produzindo lactato).
Degradação do Glicogênio (Glicogenólise)
Enzima Principal:Glicogênio fosforilase remove resíduos de glicose das extremidades não redutoras.
Produto: Libera glicose 1-fosfato.
Conversão: Glicose 1-fosfato é convertida em glicose 6-fosfato pela enzima fosfoglicomutase.
Via de Continuidade: Glicose 6-fosfato é encaminhada para a glicólise.
No Fígado: A glicose 6-fosfato é desfosforilada pela enzima glicose 6-fosfatase, liberando glicose que pode sair da célula para a corrente sanguínea (manutenção da glicemia).
No Tecido Muscular Estriado Esquelético: Desprovido de glicose 6-fosfatase, não pode liberar glicose para fora da célula; usa-a apenas para si.
Síntese do Glicogênio (Glicogênese)
Mecanismo: Adição repetida de unidades de glicose às extremidades não redutoras de um fragmento de glicogênio já existente.
Forma Ativada da Glicose: Deve estar ligada a um nucleotídeo de uracila, formando a uridina difosfato de glicose (UDP-G).
Enzima:Glicogênio sintase.
Gliconeogênese
Necessidade: Fornecimento constante de glicose para tecidos que utilizam exclusivamente glicose como fonte de energia (ex: células nervosas, hemácias, retina). O cérebro gasta 120 g de glicose diariamente.
Limitação do Glicogênio Hepático: A reserva hepática é limitada e mantém o fornecimento de glicose por no máximo oito horas de jejum.
Definição: Via metabólica de síntese de glicose nova a partir de elementos que não sejam carboidratos, mas são elementos orgânicos. Não é uma via autotrófica.
Local de Ocorrência: Fígado e, em menor grau, rins.
Importância: Fundamental para manter o metabolismo dos tecidos dependentes de glicose durante o jejum fisiológico (ex: durante o sono).
Precursores de Glicose na Gliconeogênese:
Aminoácidos: Precursores principais (apenas os glicogênicos). Ex: Alanina é convertida em piruvato e segue a via oposta à glicólise.
Lactato: Origina-se nos tecidos musculares estriados esqueléticos (degradação anaeróbica da glicose), é convertido em piruvato.
Glicerol: Deriva da degradação de triglicerídeos, tem participação pequena, sendo usado em períodos prolongados de jejum. É convertido a glicerol 3-fosfato e, na sequência, a dihidroxiacetona, que segue a via oposta da glicólise.
Processo: Para produzir uma molécula de glicose, são necessárias duas moléculas de piruvato, lactato ou glicerol.
Gasto Energético:
Síntese de glicose a partir de lactato e alanina: Gasta seis moléculas de ATPs.
Fórmula: 2 Lactatos + 6 ATPs + 6 H2O -------> glicose + 6 ADPs + 6 Pi + 4 H.
Síntese de glicose a partir do glicerol: Gasta apenas duas moléculas de ATPs.
Fonte: VOET et al., 2014.
Conclusão da Disciplina:
Visão geral da estrutura e atividades metabólicas das células.
Simplicidade bioquímica dos seres vivos (moléculas orgânicas e inorgânicas).
Células eucariontes: Apresentam organelas compartimentalizadas, cada uma com atividades metabólicas específicas.
Células heterotróficas: Obtêm energia degradando compostos orgânicos, que é transferida para ATP.
Vias de degradação: Cada composto orgânico tem uma via específica até ser convertido em Acetil CoA; a partir daí, as vias convergem para o ciclo do ácido cítrico, cadeia transportadora de elétrons e fosforilação oxidativa.
Papel central da glicose: Mecanismos como armazenamento de glicogênio e gliconeogênese garantem seu fornecimento.
Glicogênio hepático: Único capaz de disponibilizar glicose na corrente sanguínea.
Gliconeogênese: Responsável por manter o fornecimento de glicose em jejum prolongado.
Célula como um "magnífico sistema de manutenção da vida".
Leitura Complementar/Recursos
WEB: Regulação do metabolismo de glicose e ácido graxo no músculo esquelético durante exercício físico. (Acessível via QR Code).
Livros Recomendados:
BAYNES, J. W.; DOMINICZAK, M. H. Bioquímica Médica. Rio de Janeiro: Elsevier, 2015.
MARZZOCO, A.; TORRES, B. B. Bioquímica básica. 4. ed. São Paulo: Guanabara Koogan, 2015.
NELSON, D. L.; COX, M. M.; VEIGA, A. B. G. da; CONSIGLIO, A. R.; LEHNINGER, A. L.; DALMAZ, C. Lehninger: princípios de bioquímica. Porto Alegre: Artmed, 2013.
STRYER, L.; TYMOCZKO, J. L.; BERG, J. M. Bioquímica. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2014.
VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W.; FETT NETO, A. G. Fundamentos de bioquímica. Porto Alegre: Artmed, 2014.