Bioenergética e Metabolismo: Glicólise, Catabolismo e Fermentação

Bioenergética e Metabolismo

As características dos organismos vivos — sua organização complexa e sua capacidade de crescimento e reprodução — são resultantes de processos bioquímicos coordenados.

• O metabolismo é a soma de todas as transformações químicas que ocorrem nos organismos vivos.
• São milhares de reações bioquímicas catalisadas por enzimas.

As funções do metabolismo celular são:

1. Obtenção e utilização de energia
2. Síntese de moléculas estruturais e funcionais
3. Crescimento e desenvolvimento celular
4. Remoção de produtos de excreção

Divisão do metabolismo

Conforme os princípios termodinâmicos, o metabolismo é dividido em duas partes:

• Anabolismo: são os processos biossintéticos a partir de moléculas precursores simples e pequenas. As vias anabólicas são processos endergônicos e redutivos que necessitam de fornecimento de energia.
• Catabolismo: são os processos de degradação das moléculas orgânicas nutrientes e dos constituintes celulares, que são convertidos em produtos mais simples com liberação de energia. As vias catabólicas são processos exergônicos e oxidativos.

Etapas do catabolismo

1. 1º estágio: as moléculas nutrientes complexas (proteínas, carboidratos e lipídios — não esteroides) são quebradas em unidades menores: aminoácidos, monossacarídeos e ácidos graxos + glicerol, respectivamente.
2. 2º estágio: os produtos do 1º estágio são transformados em unidades simples como a acetil-CoA, que exerce papel central no metabolismo.
3. 3º estágio: a acetil-CoA é oxidada no ciclo do ácido cítrico a CO2 enquanto as coenzimas NAD+ e FAD são reduzidas por pares de elétrons para formar 3 NADH e 1 FADH2 (por acetil-CoA). As coenzimas reduzidas transferem seus elétrons para o O2 através da cadeia mitocondrial transportadora de elétrons, produzindo H2O e ATP em um processo denominado fosforilação oxidativa.

A energia livre liberada nas reações catabólicas (exergônicas) é utilizada para realizar processos anabólicos (endergônicos). O catabolismo e o anabolismo estão frequentemente acoplados por meio do ATP e do NADPH. O ATP é o doador de energia livre para os processos endergônicos. O NADPH é o principal doador de elétrons nas biossínteses redutivas.

Metabolismo de Carboidratos

• Monossacarídeos: glicose, frutose, galactose
• Dissacarídeos: sacarose, lactose
• Polissacarídeos: amido, glicogênio

Os carboidratos são poli-hidroxi-aldeídos ou poli-hidroxi-cetonas, ou substâncias que liberam esses compostos por hidrólise. São fontes universais de nutrientes e energia para as células e constituem o combustível preferencial para a contração muscular esquelética.

Rotas Metabólicas da Glicose

Via glicolítica (Embden–Meyerhof–Parnas / Glicólise)

A glicólise é a via central do catabolismo da glicose, consistindo em uma sequência de 10 reações enzimáticas que ocorrem no citosol de todas as células humanas.

Fases:

• Fase preparatória: geração de 2 gliceraldeído-3-fosfato a partir de 1 molécula de glicose.
• Fase de pagamento: geração líquida de 2 ATP, 2 NADH e 2 piruvato (por glicose).

Reações/enzimas (ordem):

1. Hexoquinase
2. Fosfohexose isomerase
3. Fosfofrutoquinase-1
4. Aldolase
5. Triose-fosfato isomerase
6. Gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase
7. Fosfoglicerato quinase
8. Fosfoglicerato mutase
9. Enolase
10. Piruvato quinase

Equação global (glicólise):
Glicose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 piruvato + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O

Funções da via glicolítica

• Transformar glicose em piruvato
• Sintetizar ATP com ou sem oxigênio
• Preparar a glicose para ser degradada totalmente em CO2 e H2O
• Permitir a degradação parcial da glicose em condições anaeróbicas
• Fornecer intermediários para outros processos biossintéticos

Distribuição e exemplos teciduais

• Via glicolítica: presente em todas as células
• Cérebro: glicose → CO2 + H2O — glicólise anaeróbica
• Eritrócitos: glicose — fonte de energia
• Córnea, cristalino e retina: dependência da glicólise

Controle da via glicolítica

• Ativação ou inibição alostérica
• Ligações covalentes (modificações pós-traducionais)
• Controle da síntese enzimática

Destino do piruvato

O piruvato formado na glicólise e de outras fontes é utilizado em diferentes vias metabólicas dependendo de vários fatores e das necessidades momentâneas de certos metabolitos-chave. Os principais destinos são:

• Síntese de lactato (glicólise em condições anaeróbicas)
• Formação de acetil-CoA (entrada no ciclo do ácido cítrico)
• Formação de oxaloacetato (gliconeogênese)
• Síntese de alanina (transaminação — síntese de aminoácidos)

Destino do produto final da glicólise

Em condições anaeróbicas: fermentação e etanol (leveduras); fermentação lática nos músculos em atividades intensas e em alguns microrganismos; em animais, plantas e muitos microrganismos em condições aeróbias o destino é a oxidação completa.

Destino do piruvato em condições anaeróbicas — Fermentação

• O piruvato é o aceptor terminal de elétrons na fermentação do ácido lático.
• Quando os tecidos animais não podem ser supridos com oxigênio suficiente para suportar a oxidação aeróbica do piruvato e do NADH produzido na glicólise, o NAD+ é regenerado a partir do NADH pela redução do piruvato a lactato.
• O NADH utilizado na redução é gerado durante a glicólise na oxidação do gliceraldeído-3-fosfato a 1,3-bifosfato.

Essa reação é a principal opção empregada pelas células sob condições hipóxicas, como em músculos esqueléticos submetidos à atividade intensa, para reoxidar o NADH a NAD+ no citosol e, assim, continuar produzindo ATP pela glicólise. O lactato formado no músculo ativo difunde para o sangue e é transportado até o fígado, onde é convertido em glicose pela gliconeogênese.

Alguns tecidos, como os eritrócitos, mesmo sob condições aeróbicas, produzem lactato como produto final da glicólise.

O lactato formado pelo músculo esquelético em atividade (ou pelos eritrócitos) pode ser reciclado — ele é transportado pelo sangue até o fígado, onde é convertido em glicose por meio do processo da gliconeogênese, durante a recuperação da atividade muscular exaustiva.