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08/04/2014
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Engenharia Bioqumica
Prof. Marlia Magalhes Gonalves
Universidade Federal de So Joo Del Rei
Vias metablicas
Metabolismo
Soma de todas as reaes qumicas dentro de
um organismo vivo
Catabolismo quebra de compostos orgnicos
complexos em compostos mais simples
Geralmente so reaes de hidrlise e liberam
energia
Ex: quebra de acares em CO2 e gua
Metabolismo
Anabolismo construo de molculas orgnicas
complexas a partir de molculasmais simples
Normalmente consomem energia e liberam gua
Ex: formao de protenas a partir de aminocidos,
cidos nucleicos a partir de nucleotdeos,
polissacardeos a partir de acares simples
Gerammateriais para o crescimento celular
Funcionamento das clulas
Para manuteno da vida, as clulas
realizam trabalho
Este trabalho se relaciona sntese de
compostos celulares, transporte de
substncias atravs das membranas,
manuteno da presso osmtica da
clula, movimento celular...
Funcionamento das clulas
A energia para os processos vitais da clula
extrada por meio de reaes bioqumicas a partir
da degradao de substratos (catabolismo) e
canalizada e consumida para a sntese de
molculas (anabolismo)
Molculas so decompostas para que sua energia
e matria sejam aproveitadas para a sntese de
outras molculas que formaro a clula, suas
organelas e membranas
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Figura 1: Relao entre sntese e degradao de molculas pelas clulas
(Fonte: Serpa e Porto, 2005)
Nutrio dos microrganismos
As necessidades nutricionais dos
microrganismos variam conforme sua
capacidade de sintetizar os constituintes
celulares a partir de nutrientes simples
Entretanto, todos necessitam de gua, fontes
de energia, carbono, nitrognio e elementos
minerais
Um grande nmero de microrganismos
tambm necessita de suprimento de oxignio
Fontes de energia
A energia necessria aos microrganismos pode
ser fornecida pela luz ou pela oxidao de
substncias qumicas
Essa energia estocada na forma de energia
de ligao qumica, biologicamente utilizvel
Ligao anidridofosfrica do trifosfato de
adenosina (ATP), formada pela fosforilao do
difosfato de adenosina (ADP)
Fontes de energia
Organismos quimiotrficos - extraem a energia
livre de compostos orgnicos e inorgnicos
presentes no meio por meio de reaes
exergnicas e a transferem para reaes
endergnicas
Organismos fototrficos utilizam energia da luz
solar para realizao de reaes fotoqumicas
exergnicas
Fontes de energia
Organismos quimiotrficos - extraem a energia
livre de compostos orgnicos e inorgnicos
presentes no meio por meio de reaes
exergnicas e a transferem para reaes
endergnicas
Organismos fototrficos utilizam energia da luz
solar para realizao de reaes fotoqumicas
exergnicas
Fontes de carbono
Clula tpica contm cerca de 50% de sua massa
seca em carbono
Elemento necessrio para a biossntese de diversos
constituintes celulares, como carboidratos,
protenas, lipdeos, cidos nuclicos
A forma de utilizao se relaciona com aquela
empregada pelo microrganismo para suprimento
de energia
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Fontes de carbono
Organismos autotrficos - tem capacidade de
sintetizar algumas ou todas as suas subunidades
monomricas, intermedirios metablicos e
macromolculas a partir de molculas simples
como CO2 e NH3
Organismos heterotrficos precisam adquirir
alguns de seus nutrientes do ambiente. Utilizam
compostos mais complexos como fontes de
carbono
Figura 2. Classificao dos organismos quanto s suas fontes de
energia (vermelho) ecarbono (azul) (Fonte: de Serpa e Porto,
2005)
Trifosfato de adenosina (ATP)
Energia livre e armazenada e transportada
pela clula na forma qumica
ATP uma molcula altamente energtica
que funciona como carreador de energia e
intermedirio nas reaes bioqumicas dos
organismos
Moeda energtica
Trifosfato de adenosina (ATP)
Alta energia se deve a grupo fosfato
terminal
Transfere grupo fosfato a molculas
receptoras que so ativadas resultando em
ADP (adenosina difosfato)
ADP reciclado em reaes exergnicas
voltando a ser ATP
Trifosfato de adenosina (ATP)Transporte de substncias atravs da
membrana
Membrana plasmtica define os limites da
clula mantendo as diferenas necessrias
entre citoplasma e meio
Bicamada lipdica no miscvel com o
lquido extracelular nem com o intracelular
Barreira entrada ou sada de gua e
outras substncias da clula
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Transporte de substncias atravs da membrana
Entretanto, as clulas necessitam adquirir do
meio compostos necessrios biossntese e
produo de energia e liberar produtos de seu
metabolismo
Passagem de ons, nutrientes e metablitos
ocorre por difuso direta pela camada lipdica
(especialmente substncias lipossolveis) ou
por canais especficos constitudos por
protenas presentes na membrana
Protenas na Membrana
Algumas atravessam completamente a
bicamada lipdica funcionando como um
canal aquoso que permite o movimento livre
de gua, ons e outras molculas hidrossolveis
Protenas carreadoras ou transportadoras
unem-se a ons ou molculas e vo sofrendo
transformaes conformacionais que levam
movimentao dessas molculas ou ons de
um lado a outro da membrana
Transporte de substncias atravs da membrana
Difuso ocorre por um gradiente de
concentrao da substncia
Molculas ou ons so transportados por espaos
intermoleculares, por protenas transportadoras ou
protenas formadoras de canais
Transporte ativo ons ou molculas se
movimentam pela membrana contra um gradiente
de concentrao
Mediado por protena transportadora
Necessita de energia, na forma de ATPFigura 4: Tipos de
transporte atravs das membranas (Fonte: Serpa e Porto, 2005)
Metabolismo Celular
Conjunto de reaes bioqumicas que
envolvem a degradao e a sntese de
compostos pela clula
Muitas reaes qumicas, mas de poucos
tipos e normalmente simples
Enzimas atuam como catalizadores
biolgicos dessas reaes, diminuindo a
energia de ativao
Metabolismo Celular
Enzimas se ligam s molculas de ATP
promovendo a transferncia de energia
qumica dessa molcula para outras ligadas
enzima e que tambm esto reagindo
Seguindo a primeira lei da Termodinmica,
as clulas obtm energia do meio
ambiente e a transformam para utiliz-la
nas diversas atividades celulares
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Vias Metablicas
Caminhos pelos quais uma molcula
transformada em outras na clula
So interdependentes e relacionadas com
o estgio de crescimento e atividade da
clula
Principais vias: Gliclise, Ciclo do cido
ctrico, Cadeia transportadora de eltrons
Vias Metablicas
A energia (ATP) o elo qumico entre o
catabolismo e o anabolismo
- na converso de ATP para ADP + Pi, o grupo Pi
transferido para o substrato ou para a enzima,
transferindo a energia de uma reao para a outra
e possibilitando que as reaes endergnicas
(precisam de energia) ocorram
Gliclise
Via de degradao da glicose como fonte de
carbono e energia
Realizada por microrganismos, plantas e animais
Glicose degradada por uma srie de reaes
mediadas por enzimas, resultando em duas
molculas de piruvato (intermedirio em outras
vias)
Energia contida nas ligaes qumicas fica na
forma de ATP
Gliclise
Cofator NAD (nicotinamida adenina
dinucleotdeo) reduzido a NADH, precursor
na formao de molculas de ATP
Figura 5: Primeira etapa da gliclise (Fonte: Serpa e Porto,
2005) Figura 6: Segunda etapa da gliclise (Fonte: Serpa e Porto,
2005)
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Gliclise
Saldo de 2 ATP, 2 NADH e 2 molculas de
piruvato
nica fonte de produo de ATP para os
microrganismos anaerbios
NADH regenerado em processos de
fermentao por molculas orgnicas
como receptores de eltrons
Fermentao
Alguns organismos ou tecidos (como os
msculos) funcionam anaerobicamente, seja
por restrio de oxignio ou intolerncia total
Clula precisa dar um destino s molculas de
piruvato e NADH produzidas na gliclise
Processos anaerbios utilizam fermentao
Piruvato pode ser transformado em lactato
(fermentao ltica) ou etanol (fermentao
alcolica)
Figura 7: Converso do piruvato e regenerao do NAD+ (cofator) por
processos anaerbios (Fonte: Serpa e Porto, 2005)
Fermentao
Rendimento energtico inferior (2 ATP), j
que nenhum dos aceptores alternativos
apresenta potencial to oxidante quanto o
oxignio
Uso de aceptores alternativos permitiram
aos microrganismos respirarem em
ambientes sem oxignio, sendo de extrema
importncia ecolgica
Fermentao
Processos anaerbios podem ser utilizados
no tratamento de efluentes com obteno
de maior mineralizao da matria
orgnica
Ciclo do cido Ctrico
Via utilizada pelas bactrias e pela maioria
das clulas eucariticas que ocorre em
sequncia gliclise em anaerobiose
Objetivo de produzir mais ATP e fatores
reduzidos pela oxidao total da glicose
em CO2 e H2O respirao celular
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Ciclo do cido Ctrico
Figura 8. Converso de piruvato a acetil-CoA catalisada por um
complexo enzimtico. CoA = coenzima A (Fonte: Serpa e Porto,
2005)
Ciclo do cido Ctrico
Ocorre na matriz mitocondrial (eucariotos) ou no
citoplasma (procariotos)
Acetil-CoA tambm um produto do catabolismo
de aminocidos e cidos graxos
Ocorre a fosforilao de uma molcula de
guanosina difosfato (GDP), gerando o GTP que
posteriormente convertido a ATP
Ciclo do cido Ctrico
Figuras 9: Ciclo do cido ctrico (Fonte: Serpa e Porto, 2005)
Ciclo do cido Ctrico Produz energia na forma de 2 GTP (2 ATP) e
tambm
cofatores reduzidos (8 NADH e 2 FADH2/molcula de
glicose)
Abastece o metabolismo celular com compostos
intermedirios precursores em outras vias de sntese de
compostos celulares
citrato - cidos graxos e esterides
cetoglutarato glutamato e outros aminocidos
oxalacetato aspartato e outros aminocidos, purinas e
pirimidinas
Ciclo do cido Ctrico
Regulao da gliclise e do ciclo do cido ctrico
dependem basicamente das relaes NAD+/NADH
e ADP/ATP
Ocorre de acordo com a necessidade energtica
e condio metablica em que a clula se
encontra
Relaes maiores que 1 tendem a ativar o ciclo e
menores tendem a diminuir a velocidade
Transportadores de eltrons As enzimas que catalizam as reaes
requerem o transporte
de eltrons de uma parte para a outra da via metablica
Molculas relativamente pequenas realizam o transporte.
Classes:
- Que se difundem livremente: NAD+, NADP+
- Associados membrana:
Flavoprotenas FMN/FAD
Protenas com Fe e S
Quinonas
Citocromos
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Transportadores de eltrons
NAD+ + 2 e- + 2 H+ NADH + H+ (alto potencial
redutor)
As clulas contm uma quantidade limitada de
NAD+ ,sendo que sua forma reduzida NADH precisa
ser continuamente re-oxidada para manter o
processo metblico
Transportadores de eltrons So intermedirios nas reaes de
oxidao-reduo
em clulas:
NAD - nicotinamida adenina dinucleotdeo (coenzima)
FAD flavina-adenina mononucleotdeo (flavoprotena)
FMN flavina mononucleotdeo (flavoprotena)
Citocromos (protico)
Quinonas (no protico)
Responsveis pela eficincia na obteno de energia
Transportadores de eltronsCadeia transportadora de
eltrons Tambm chamada cadeia respiratria, o processo de
reoxidao de NADH e FADH2
Envolve uma srie de carreadores de eltrons, protenas
presentes nas mitocndrias capazes de aceitar ou doar
eltrons
Na gliclise e ciclo do cido ctrico so formados 10
moles de NADH e dois moles de FADH2 por mol de
glicose
A energia contida nesses fatores de reduo ser
utilizada pela clula para formar ATP (fosforilao
oxidativa)
Figura 10. Representao da cadeia transportadora de eltrons
(Fonte: Serpa e Porto, 2005)
Cadeia transportadora de eltrons
Energia liberada pela oxidao de NADH usada para
o bombeamento de H+ para a rea intermembrana da
mitocndria
Transporte de eltrons do complexo I (libera energia)
Coenzima Q (Ubiquinona) Complexo III (libera
energia)
Citocromo C Complexo IV (libera energia; reduo
de O2 para H2O)
O2 aceptor final de eltrons na respirao
FAD regenerado pelo complexo II coenzima Q
segue caminho similar ao NAD+
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Fosforilao Oxidativa
Os H+ retornam matriz mitocondrial (com
liberao de energia) e so utilizados pela ATP
sintase (complexo V) para a sntese de ATP
Em bactrias o processo ocorre na membrana
citoplasmtica
Balano da cadeia respiratria e fosforilao oxidativa
Reaes de oxidao e reduo em presena de
um aceptor de eltrons externo - O2
A molcula inteira do substrato oxidada at CO2
Alto potencial de energia
Grande quantidade de ATP gerada: at 30 ATPs
Balano da cadeia respiratria e fosforilao oxidativa
Produo de ATP:
Na cadeia respiratria:
2 NADH formados na gliclise geram 3 ATP (ocorre perda de
energia para entrar na matriz mitocondrial interna)
2 NADH da converso piruvato Acetil-CoA 5 ATP
6 NADH formados no ciclo do cido ctrico 15 ATP
2 FADH formados no ciclo do cido ctrico 3 ATP
Formao direta na Gliclise 2 ATP
Formao indireta no Ciclo do cido ctrico 2 GTP
Total
................................................................ 30
ATP
Regulao do Metabolismo
Uma espcie pode produzir diferentes metablitos
(seguir mais de uma via) quando cultivada sob
diferentes condies de cultivo e nutrientes
Saccharomyces cerevisiae produz etanol em
anaerobiose e biomassa em aerobiose
Em condies aerbias, mas com altas
concentraes de substrato h a produo de
etanol, sugerindo que o metabolismo no
regulado apenas por O2 (represso catablica)
Regulao do Metabolismo
Efeito Crabtree ou represso catablica glicose
reprime as atividades de enzimas respiratrias (ou a
sntese das mesmas), fazendo com que a levedura
preferencialmente produza etanol
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Referncias Bibliogrficas
GALLO, L. A. BASSO, L. C. Fundamentos de Bioqumicapara
Cincias
Biolgicas,Cincias dos Alimentos, Agronmicas e Florestais
(apostila)
ESALQ USP, 2012
LEHNINGER,A. L.; NELSON, D. L.; COX, M.M. - Princpios de
Bioqumica.
So Paulo, Sarvier, 2006
SERPA, G.; PORTO, L. Introduo EngenhariaGenmica (apostila).
UniversidadeFederal de Santa Catarina, 2005
Schmidell,W. et al. Biotecnologia Industrial. So Paulo: Edgard
Blucher, vol. 2
2001
Notas de aula do professor Andr Aguiar. Engenharia Bioqumica,
UFSJ
CAP
