PROF. FÁBIO DE OLIVEIRADISCIPLINA BIOQUÍMICA FUNDAMENTAL

SUPLEMENTO TEÓRICO III

2011/1

FACULDADE ARNALDO HORÁCIO FERREIRA – FAAHFCURSO DE AGRONOMIA

DISCIPLINA BIOQUÍMICA FUNDAMENTAL

SUPLEMENTO TEÓRICO1

Resumo elaborado a partir do livro: NELSON, David L. COX, Michael M. Tradução de Arnaldo Antonio Simões e Wilson

Roberto Navega Lodi. Lehgninger Princípios de Bioquímica. 3. ed. São Paulo: Sarvier Editora de Livros Médicos Ltda. 2002. 975 p.

14. Metabolismo de carboidratos: glicogênio, amido, sacarose e lactose

14.1 Metabolismo do glicogênio O glicogênio é um polímero de glicose e constitui uma forma de reserva

deste açúcar. A vantagem biológica de armazenar a glicose como polímero é, naturalmente, a redução da osmolaridade, resultante do menor número de partículas em solução.

MAS O QUE É OSMOLARIDADE?É a concentração de partículas osmoticamente ativas, em milimóis por litro.

O glicogênio é sintetizado, principalmente pelo fígado e músculo quando a oferta de glicose supera as necessidades energéticas imediatas destes órgãos.

Após as refeições, o fígado remove cerca de dois terços dos monossacarídeos absorvidos e utiliza parte deles para recompor sua reserva de glicogênio.

A reserva de glicogênio atinge cerca de 100 g, aproximadamente um terço das reserva muscular.

O glicogênio hepático é degradado e produzindo glicose, que é exportada para manter a glicemia (concentração de glicose sangüínea) nos períodos entre as refeições e no jejum noturno. O glicogênio muscular provê energia exclusivamente para a própria fibra muscular em contração intensa, quando a demanda energética ultrapassa o aporte de oxigênio.

Em condições anaerobiose (falta de oxigênio) apenas os carboidratos podem servir como substrato para a obtenção de ATP, pois lipídios e aminoácidos só podem ser degradados aerobiamente. Em anaerobiose relativa, o glicogênio é convertido a lactato.

1 O material elaborado serve como recurso teórico, para aprofundar nos assuntos abordados consulte a literatura recomendada.

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14.1.1 Degradação do glicogênio

A degradação do glicogênio consiste na remoção sucessiva de resíduos de glicose, a partir das extremidades não redutoras, por ação da glicogênio fosforilase, uma enzima que tem piridoxal fosfato, um derivado da vitamina B6, como grupo prostético. Esta enzima catalisa a fosforólise da ligação alfa – 1,4, liberando um resíduo de glicose como glicose 1 – fosfato. A reação é semelhante a uma hidrólise, com a diferença de usar fosfato inorgânico no lugar de água.

A ação da glicogênio fosforilase prossegue ao longo da cadeia, liberando um a um os resíduos de glicose, mas termina 4 resíduos antes de uma ramificação. A degradação pode continuar por ação de outra enzima chamada enzima desramificadora, que apresenta duas atividades distintas. Através de sua ação como transferase, transfere 3 dos 4 resíduos de glicose remanescentes junto à ramificação para uma outra extremidade da cadeia de glicogênio, formando uma nova ligação alfa- 1,4; na sua nova posição, estes resíduos podem ser liberados por ação da glicogênio fosforilase. O resíduo de glicose restante é aquele que está ligado à cadeia principal por ligação alfa – 1,6. Esta ligação é hidrolisada pela segunda atividade da enzima desramificadora, a atividade de alfa – 1,6 glicosidase. É interessante ocorre uma hidrólise, em lugar da fosforólise produzida pela glicogênio fosforilase.

Esquema geral da degradação

Glicogênio (n resíduos de glicose)

glicose 1 - fosfato glicogênio (n – 1 resíduos de glicose

glicose 6 – fosfato

glicose

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RESUMOA glicose 1 – fosfato é convertida pela fosfoglicomutase a glicose 6-fosfato, que pode ser degradada pela glicólise, formando lactato, no músculo. No fígado, a glicose 6-fosfato é preferencialmente hidrolisada por ação da glicose 6-fosfatase, produzindo glicose, que é liberada na circulação.

IMPORTANTE!A degradação de glicogênio é um processo rápido e eficiente, graças à sua própria estrutura e à presença das enzimas de degradação intimamente associadas aos grânulos de glicogênio: o grande número de ramificações não-redutoras. Assim, mais de 50% das ramificações da cadeia de glicogênio muscular são degradados em poucos segundos, quando a demanda energética é intensa. No caso da degradação do glicogênio, entretanto, quase nunca é completa, restando um núcleo na degradado que serve de ponto de partida para a ressíntese.

14.2 A síntese de glicogênio O glicogênio é sintetizado por uma via diferente da via de gradação. A

síntese consiste na repetida adição de resíduos de glicose às extremidades de um núcleo de glicogênio. A glicose a ser incorporada deve estar sob uma forma ativada, ligada a um nucleotídeo de uracila, constituindo a uridina difosfato glicose (UDP – G). O UDP – G é produzido, a partir de glicose, pela seguinte série de rações:

Glicose + ATP – glicose 6-fosfato + ADP + H+Glicose 6-fosfato = glicose 1-fosfatoGlicose 1-fosfato + UTP = UDP – G + Ppi

Esta última reação é catalisada pela glicose 1 – fosfato uridil transferase. O UDP – G é substrato da glicogênio sintase, a enzima que, efetivamente, catalisa a síntese:

UDP – G + (glicogênio) n resíduos de glicose – (glicogênio) n + 1 resíduos de glicose + UDP

O UDP produzido na reação catalisada pela glicogênio sintase é reconvertido a UTP à custa de ATP, pela nucleosídeo difosfato quinase, e o pirofosfato (HP2 O7(3-) ou Ppi) é hidrolisado por ação da pirofosfatase, produzindo fosfato inorgânico (HPO4(2-) ou Pi):

UDP + ATP – UTP + ADPPPi + H2O – 2 Pi + H+

A soma de todas as reações anteriores é:

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Glicose + 2ATP + (glicogênio)n resíduos de glicose + H2O – (glicogênio)n + 1 resíduos de

glicose + 2 ADP + 2 Pi mostrando um gasto de 2 AP para cada resíduo de glicose incorporado ao glicogênio.

Esquema geral de síntese

Glicogênio(n + 1 resíduos de glicose)

UDP - glicose

Glicose 1 – fosfato

Glicose 6 - fosfato

glicose

IMPORTANTE!A reação de síntese de glicogênio catalisada pela glicogênio sintase prevê a existência de uma cadeia de glicogênio já constituída, à qual são agregados novos resíduos de glicose. Este processo é viável desde que, na degradação anterior, tenha permanecido um núcleo de polímero que dê suporte para a extensão da cadeia. Quando isto não ocorre, o processo inicia-se de forma um pouco diferente, já que a glicogênio sintase não é capaz de catalisar a união dos dois primeiros resíduos de glicose, iniciando a cadeia do polímero. Uma proteína, chamada glicogenina, serve de apoio ao início da síntese, através de um dos seus resíduos de tirosina. Ao radical OH do grupo R desta tirosina é tranferido o primeiro resíduo de glicose, sempre derivado de UDP – G, por ação de uma glicosil transferase. A própria glicogenina, então, catalisa a incorporação de novos resíduos de glicose, até formar uma pequena cadeia de 6 ou 7 resíduos. Neste momento entra em ação a glicogênio sintase, que

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estende a polimerização, enquanto a glicogenina desliga-se do polímero em crescimento.

14.3 Síntese de amido

Nos vegetais, o polímero de glicose utilizado como reserva é o amido, que tem estrutura muito similar à do glicogênio, muito menos ramificado, porém. O amido é composto de alfa – amilose, uma cadeia linear de resíduos de glicose unidos por ligações alfa – 1,4 e de amilopectina, de cadeia principal idêntica à amilose, mas contendo ramificações formadas, como no glicogênio, por ligações alfa – 1,6. Na amilopectina estas ramificações ocorrem a cada 20 ou 30 resíduos de glicose, enquanto, no glicogênio, a freqüência é, em média, de uma ramificação a cada 10 resíduos. A síntese do amido é muito semelhante à do glicogênio, com a substituição da forma ativada da glicose de UDP – Glicose por ADP – glicose (ADP – G). As reações que se processam são as seguintes:

Glicose 1-fosfato + ATP-G + PPiA reação é catalisada pela ADP – glicose sintase. ADP- G é substrato da amido sintase, a enzima que, efetivamente, catalisa a incorporação de glicose ao polímero:ADP – G + (amido)n resíduos de glicose – (amido)n + 1 resíduos de glicose + ADP

14.4 Metabolismo de sacarose e lactose

A sacarose da dieta constitui uma fonte quantitativamente importante de monossacarídeos para o homem; a lactose, o açúcar presente no leite, tem importância principalmente nos primeiros meses de vida. Estes dissacarídeos são hidrolisados no intestino delgado, por sacarase e lactase, respectivamente. A sacarose produz glicose e frutose; a lactose libera glicose e galactose. A deficiência de lactase (“intolerância à lactose”) em indivíduos adultos é relativamente comum. Não sendo hidrolisada, a lactose permanece no intestino delgado, onde sofre fermentação bacteriana, que resulta na produção de gases e ocasiona diarréia.

15. Metabolismo de ácidos graxos

Os lipídios da dieta, absorvidos no intestino, e aqueles sintetizados endogenamente são distribuídos aos tecidos pelas lipoproteínas plasmáticas, para utilização ou armazenamento. Os triacilgliceróis são os

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lipídios mais abundantes da dieta e constituem a forma de armazenamento de todo o excesso de nutrientes, quer este excesso seja ingerido sob a forma de carboidratos, proteínas ou dos próprios lipídios. Representam a maior reserva energética do organismo, perfazendo, em média, 20% do peso corpóreo, o que equivale a uma massa 100 vezes maior do que a do glicogênio hepático; como são compostos mais reduzidos que os carboidratos, sua oxidação apresenta rendimento maior. Os triacilgliceróis são armazenados nas células adiposas, sob forma anidra, e podem ocupar a maior parte do volume celular.

IMPORTANTE!A vantagem de armazenar lipídios, em vez de carboidratos, fica evidente quando se comparam as massas dos dois compostos, que seriam capazes de fornecer a mesma quantidade de energia. Em um homem adulto, pesando 70 Kg, a reserva de triacilgliceróis compreende cerca de 15 Kg. Como a oxidação de carboidratos produz, aproximadamente, 2,5 vezes menos energia que a oxidação de lipídios e 1 g de glicogênio adsorve 3 g de água, uma reserva constituída por glicogênio, com a mesma quantidade de energia contida em 15 Kg de triacilgliceróis, pesaria em torno de 150 Kg. Ou seja, para dispor da mesma quantidade de energia, o indivíduo teria um peso extra de 135 Kg!

15.1 Degradação de triacilgliceróis

A mobilização do depósito de triacilgliceróis é obtida por ação da lipase dos adipócitos, uma enzima sujeita a regulação hormonal, que hidrolisa os triacilgliceróis a ácidos graxos e glicerol;

Os ácidos graxos, mobilizados do tecido adiposo ou provenientes da dieta, são degradados, como se verá a seguir, através de uma via especial que se processa no interior das mitocôndrias;

15.2 Beta – oxidação ou ciclo de Lynem

A acil-CoA presente na matriz mitocondrial é oxidada por uma via denominada Beta – oxidação ou ciclo de Lynem. Esta via consta de uma série cíclica de quatro reações, ao final das quais a acil-CoA é encurtada produzindo NADH E FADH². Esta acil-CoA refaz o ciclo várias vezes, até ser totalmente convertida a acetil-CoA.

15.3 A oxidação de ácidos graxos não é restrita à mitocôndria

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A degradação de ácidos graxos ocorre em outras organelas citoplasmáticas – glioxissomos e peroxissomos – através de vias metabólicas que guardam semelhanças e diferenças com a Beta-oxidação mitocndrial, catalisadas, naturalmente, por enzimas espécificas.

Nos vegetais, a Beta-oxidação é feita apenas nos glioxissomos. A acetil-CoA produzida pode ser convertida em glicose, graças à presença, nestas organelas, das enzimas do ciclo do glioxilato. Estas enzimas são ausentes de células animais, que, por isto, são incapazes de utilizar acetil-CoA como um composto gliconeogênico.

IMPORTANTE!O colesterol, além de ser um componente estrutural de membranas, é precursor dos ácidos biliares, hormônios esteróidicos e vitamina D. A despeito de desempenhar funções vitais, o colesterol tem sido considerado um “inimigo” da saúde, devido à correlação existente entre níveis plasmáticos aumentados de colesterol e ocorrência de aterosclerose.

16. Degradação de aminoácidos e ciclo da uréia

As proteínas, como os demais compostos constituintes de um organismo, não são permanentes, estando em contínua degradação e síntese.

INTERESSANTE!Estima-se que, em um ser humano adulto com uma dieta adequada, haja uma renovação (turnover) de aproximadamente 400 g de proteínas por dia. Em um determinado instante deste período, proteínas diferentes estão sendo degradadas e outras tantas estão sendo sintetizadas, já que a meia-vida das proteínas apresenta uma enorme variação.

Uma conseqüência importante do turnover protéico é restar sempre uma certa quantidade de aminoácidos não utilizados, porque o conjunto de aminoácidos originado das proteínas que estão sendo degradadas nunca é igual ao conjunto de aminoácidos necessários para compor as proteínas que estão sendo sintetizadas. Tendo em vista que não há meios de armazenar os aminoácidos excedentes, eles são oxidados e seu nitrogênio excretado. Assim, um indivíduo adulto saudável, com uma dieta adequada, elimina por dia uma quantidade de nitrogênio correspondente a 100 g de proteína aproximadamente.

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Com efeito, os aminoácidos são precursores de TODOS os compostos nitrogenados não-protéicos, que incluem as bases nitrogenadas constituintes dos nucleotídeos (componentes dos ácidos nucléicos e coenzimas) e as aminas e seus derivados, como adrenalina, ácido gama-aminobutírico, histamina etc.

Os seres vivos não são capazes de armazenar aminoácidos nem proteínas, e, consequentemente, satisfeitas as necessidades de síntese, os aminoácidos excedentes são degradados. Em um indivíduo adulto saudável, com uma dieta adequada, a oxidação de aminoácidos responde por 10-15% de suas necessidades energéticas.

16.1 Degradação de aminoácidos

A degradação dos aminoácidos compreende a remoção e a excreção do grupo amino e a oxidação da cadeia carbônica remanescente (alfa-cetoácido). O grupo amino (H³N+) é convertido a uréia (H²N-C-NH²) e as 20 cadeias carbônicas resultantes são convertidas a compostos comuns ao metabolismo de carboidratos e lipídios, ou seja, piruvato, acetil CoA e intermediários do ciclo de Krebs.

Representação de um aminoácido

IMPORTANTE!A degradação das proteínas endógenas e da dieta originam o pool de aminoácidos, precursores das proteínas das proteínas endógenas e de todos os outros compostos nitrogenados. Os aminoácidos excedentes são degradados, restando as respectivas cadeias carbônicas e o grupo amino (H³N+), que é convertido em uréia (H²N-C-NH²).

16.1.1 O grupo amino (H³N+) da maioria dos aminoácidos é coletado inicialmente como glutamato (veja o esquema 01)

16.1.2 Os grupos amino (H³N+) originam aspartato e/ou amônia (NH³) (veja o esquema 01)

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16.1.3 Alguns aminoácidos são desaminados por reações especiais (veja o esquema 01)

Esquema 01 Alanina Glutamina Arginina Isoleucina Asparagina Leucina Aspartato Tirosina Cisteina Triptofano Fenilalanina Valina

Lisina Glutamato Prolina Histidina

Glicina Metionina NH4+ Aspartato Serina Treonina

uréia

Conversão do grupo amino dos aminoácidos em uréia: o grupo de 12 aminoácidos é coletado como glutamato, que origina NH4+ e aspartato por uma via comum catalisada por transaminase (T) e glutamato desidrogenase (GD); outros 7 aminoácidos originam NH4+ e glutamato pôr vias especiais

16.2 A uréia (H²N-C-NH²) é sintetizada a partir de NH³ (amônia), aspartato e HCO-³)

Os dois átomos de nitrogênio presentes na uréia (H²N-C-NH²) são provenientes de NH4+ e aspartato, e o átomo de carbono, do bicarbonato. A síntese de uréia é feita no fígado, através do ciclo da uréia ou ciclo de Krebs-Henseleit. A síntese inicia-se na matriz mitocondrial, com a formação de carbomoil-fosfato a partir de íons bicarbonato e amônio, com gasto de duas, moléculas de ATP. O carbamoil-fosfato condensa-se com

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ornitina, formando citrulina, que é transportada para o citossol, onde reage com aspartato, formando argininossuccinato, que se decompõe em arginina e fumarato. A arginina é hidrolisada, regenerando ornitina e produzindo uréia, que é transportada para o rim e eliminada pela urina.

IMPORTANTE!A uréia é o principal produto de excreção do metabolismo nitrogenado de vertebrados terrestres; aves e répteis excretam ácido úrico, e peixes, amônia. A quantidade de uréia excretada por um ser humano adulto e cerca de 30 g por dia, mas este valor varia proporcionalmente à quantidade de proteína ingerida. A uréia representa 90% dos compostos nitrogenados excretados; o restante aparece sob a forma NH4+, creatinina e ácido úrico. Apesar de NH4+ constituir uma pequena porcentagem do nitrgênio urinário, sua excreção possibilita a eliminação de H+, contribuindo de maneira decisiva para a manutenção do equilíbrio ácido-base: o conteúdo de NH4+ da urina aumenta na acidose e diminui na alcalose.

16.3 A amônia é tóxica para os tecidos animais, especialmente para o cérebro

A conversão da maior parte do NH4+ em uréia é fundamental para manter baixas as concentrações deste íon nos tecidos. Quando há restrição na formação de uréia por disfunção hepática grave – hepatite ou cirrose, por exemplo – a concentração de NH4+ se eleva, afetando principalmente o cérebro e podendo ocasionar coma. O porquê deste fato, ainda não foi esclarecido.

16.4 Degradação da cadeia carbônica dos aminoácidos

16.4.1 A cadeia carbônica dos aminoácidos é degradada, podendo ser agrupada em seis grupos:

1. piruvato 4. succecil-CoA2. oxaloacetato 5. alfa-cetoglutarato3. fumarato 6. acetil-CoA

17. Síntese de aminoácidos Os diferentes organismos apresentam dependência muito variada do meio

ambiente no que se refere ao suprimento de aminoácidos. Os vegetais e muitas bactérias são capazes de sintetizar TODOS os aminoácidos: o grupo amino é obtido a partir de amônia e a cadeia carbônica, a partir de

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carboidratos. Os seres humanos, por outro lado, dependem do suprimento externo de aminoácidos já “prontos”.

A fonte primária de nitrogênio para os seres vivos é o nitrogênio atmosférico (N²), um gás muito pouco reativo, que deve ser convertido a uma forma “metabolizável”, por exemplo, amônia. Surpreendentemente, apenas algumas poucas espécies de bactérias contêm a informação genética necessária para converter N² a NH³(amônia). São, por exemplo, bactérias do solo pertencentes ao gênero Azobacter, de vida livre, ou ao gênero Rhizobium, que vivem associadas simbioticamente a raízes de plantas da família das leguminosas. A conversão de N² a NH³(amônia), chamada fixação de nitrogênio, é realizada por um sistema enzimático complexo e ainda mal compreendido, denominado nitrogenase, que utiliza NADPH como doador de elétrons e processa-se com grande consumo de ATP.

A fixação de nitrogênio por simbiose é muito mais eficiente que a obtida por bactérias de vida livre, já que a planta fornece a energia necessária ao processo, através da oxidação de carboidratos produzidos por fotossíntese. A quantidade de amônia (NH³) produzida pelas bactérias simbiontes excede as necessidades das leguminosas e é liberada no solo, contribuindo decisivamente para o seu enriquecimento em nitrogênio. Esta é a razão da técnica de rotação de culturas, largamente empregada na agricultura: o cultivo de plantas não-leguminosas é alternado com o de leguminosas, como feijão, soja, ervilha etc. Tendo em vista os altos custos da produção industrial de fertilizantes e os danos que causam ao meio ambiente, uma nova abordagem tem sido introduzida, a criação de plantas não-leguminosas transgênicas capazes de fixar nitrogênio (N²). Nos nódulos das leguminosas, este problema é resolvido pela presença de uma proteína com alta afinidade por O², a leghemoglobina, que contém, como hemoglobina, um grupo heme. A simbiose é indispensável para a sua síntese: a globina é sintetizada pela leguminosa e o grupo heme por Rhizobium.

A manutenção do equilíbrio presente no solo é, em grande parte, convertida a nitritos (NO²-) e, principalmente, a nitratos (NO³-), por bactérias dos gêneros Nitrosomonas e Nitrobacter. As plantas não-leguminosas e a maioria das bactérias possuem enzimas capazes de reduzir nitritos (NO²-) e nistratos (NO³-) a amônia (NH³), que pode ser, então, utilizada na síntese de aminoácidos e de todos os outros compostos nitrogenados.

A manutenção do equilíbrio entre os diferentes reservatórios de nitrogênio do planeta deve-se, novamente, à atuação das bactérias. Organismos

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mortos são decompostos e seu nitrogênio gera amônia; esta é convertida a nitritos (NO²-) e nitratos (NO³-), que podem ser reconvertidos a N² (nitrogênio molecular) atmosférico, fechando o chamado ciclo do nitrogênio.

17.1 O organismo humano só sintetiza 11 dos 20 aminoácidos constituintes das proteínas

No quadro abaixo tem-se a relação dos aminoácidos essenciais e não-essenciais para os seres humanos

Essenciais Não-essenciaisFenilalanina AlaninaHistidina ArgininaIsoleucina AsparaginaLeucina AspartatoLisina CisteínaMetionina GlutamatoTreonina GlutaminaTriptofano GlicinaValina Prolina Serina Tirosina Nos seres vivos capazes de sintetizar todos os vinte aminoácidos – plantas

e muitas bactérias – a amônia resultante da fixação de nitrogênio é utilizada inicialmente, para a síntese de glutamato e glutamina, que constituem as mais importantes incorporações diretas de nitrogênio, a partir de NH4+, como grupamentos de aminoácidos.

18. Biossíntese de lipídeos de membrana e esteróides

A primeira etapa da síntese de ácidos graxos é o transporte de acetil-CoA para o citossol.

Nos mamíferos, os ácidos graxos são sintetizados a partir de carboidratos, principalmente, e do excedente de proteínas da dieta. Na via que leva à sua produção , o substrato imediato é a acetil-CoA e o produto final é o ácido palmítico. A síntese ocorre no citossol, para onde deve ser transportada a acetil-CoA formada na mitocôndria, fundamentalmente a partir de piruvato.

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19. Biossíntese de nucleotídeos

Os nucleotídeos são sintetizados a partir de precursores simples (síntese “ de novo”) ou pela reciclagem de bases pré-formadas (síntese de poupança, ou de recuperação). Purinas e pirimidinas são fabricadas de novo a partir de aminoácidos, derivados de tetra-hidrofolato, NH4+ e CO². A porção ose-fosfato dos ribonucleotídeos vem do 5-fosforribosil-1-pirofosfato, um doador ativado. Os desoxirribonucleotídeos são sintetizados pela redução de ribonucleotídeos.

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