Metabolismo Energético: Vias Centrais e Regulação

Compostos de Alta e Baixa Energia

Anabolismo: Síntese de moléculas complexas.

Catabolismo: Degradação de substâncias complexas.

Metabolismo: Conjunto de reações de transformação de substâncias que viabilizam a dinâmica da vida.

Reações de fosforilação (adição de grupo fosfato) e óxido-redução (transferência de elétrons: Redução = ganho, Oxidação = perda).

Leis da Termodinâmica

• 1ª Lei da Termodinâmica: Conservação de energia.
• 2ª Lei da Termodinâmica:
  • Entropia (ΔS): Grau de desordem do sistema.
  • Entalpia (ΔH): Energia contida no sistema.
  • Energia Livre de Gibbs (ΔG): Energia disponível para realizar trabalho em processos isobáricos e isotérmicos.
  • Fórmula: ΔG = ΔH – TΔS
  • ΔG negativo: Reação espontânea (exergônica).
  • ΔG positivo: Reação necessita de energia (endergônica).

Keq (Constante de Equilíbrio): Ocorre quando a velocidade de formação dos produtos é igual à velocidade de formação dos reagentes.

ATP (Adenosina Trifosfato): Considerado um composto de alta energia devido aos seus dois grupos fosforil terminais. A hidrólise de uma de suas ligações fosfoanidrido libera uma quantidade significativa de energia livre.

Importante: Alta energia não é sinônimo de estabilidade da molécula, nem se refere à energia necessária para a quebra da ligação em si.

Compostos de Alta Energia

• Os produtos de sua quebra hidrolítica estão em formas mais estáveis (menor energia livre) do que o composto original.
• Exemplos de ésteres de fosfato de alta energia incluem o ATP e o Fosfoenolpiruvato.
• Glicose-6-fosfato e Glicerol-3-fosfato são exemplos de compostos de baixa energia.

Fontes de Acetil-CoA

• β-oxidação de ácidos graxos
• Quebra de carboidratos (via Glicólise e Piruvato Desidrogenase)
• Oxidação de corpos cetônicos
• Oxidação do etanol
• Oxidação de aminoácidos cetogênicos
• Reação da Piruvato Desidrogenase

Regulação da Glicólise

A Glicólise é dividida em duas fases:

1. Fase de Investimento de Energia: Reações endergônicas que consomem 2 ATPs.
2. Fase de Pagamento de Energia: Reações exergônicas que produzem 4 ATPs (saldo líquido de 2 ATPs).

Resultado líquido: Uma molécula de Glicose (6C) produz duas moléculas de Piruvato (3C), reduz 2 moléculas de NAD+ a NADH + H+, e gera um saldo de 2 ATPs.

Etapas da Glicólise

1ª Fase (Investimento):

1. Glicose + ATP → Glicose-6-Fosfato (G6P) + ADP (Enzima: Hexoquinase ou Glicoquinase)
2. Glicose-6-Fosfato ⇌ Frutose-6-Fosfato (F6P) (Enzima: Fosfoglicose Isomerase)
3. Frutose-6-Fosfato + ATP → Frutose-1,6-Bifosfato (F1,6BP) + ADP (Enzima: Fosfofrutoquinase-1 (PFK-1))
4. Frutose-1,6-Bifosfato → Di-hidroxiacetona Fosfato (DHAP) + Gliceraldeído-3-Fosfato (GAP) (Enzima: Aldolase)
5. Di-hidroxiacetona Fosfato ⇌ Gliceraldeído-3-Fosfato (Enzima: Triose Fosfato Isomerase)

2ª Fase (Pagamento): (Ocorre 2x por molécula de glicose)

6. Gliceraldeído-3-Fosfato + Pi + NAD+ ⇌ 1,3-Bifosfoglicerato (1,3BPG) + NADH + H+ (Enzima: Gliceraldeído-3-Fosfato Desidrogenase)
7. 1,3-Bifosfoglicerato + ADP ⇌ 3-Fosfoglicerato (3PG) + ATP (Enzima: Fosfoglicerato Quinase)
8. 3-Fosfoglicerato ⇌ 2-Fosfoglicerato (2PG) (Enzima: Fosfoglicerato Mutase)
9. 2-Fosfoglicerato ⇌ Fosfoenolpiruvato (PEP) + H₂O (Enzima: Enolase)
10. Fosfoenolpiruvato + ADP → Piruvato + ATP (Enzima: Piruvato Quinase)

Destinos do Piruvato

• Condições Anaeróbicas (Fermentação):
  • Fermentação Lática: Piruvato é reduzido pelo NADH para formar Lactato, regenerando NAD+.
  • Fermentação Alcoólica: Piruvato é descarboxilado a Acetaldeído, que é então reduzido pelo NADH a Etanol, regenerando NAD+.
• Condições Aeróbicas (Respiração Celular): Piruvato é transportado para a mitocôndria e convertido em Acetil-CoA pela enzima Piruvato Desidrogenase (Piruvato + NAD+ + CoA → Acetil-CoA + NADH + H+ + CO₂).

Pontos de Regulação da Glicólise

Os principais sítios de regulação são as reações catalisadas pelas enzimas:

• Hexoquinase / Glicoquinase
• Fosfofrutoquinase-1 (PFK-1)
• Piruvato Quinase

Essas reações são metabolicamente irreversíveis e funcionam pelo princípio da máxima economia. A via é inibida (ou tem sua velocidade diminuída) quando o estado fisiológico é energeticamente favorável (ex: alta relação ATP/ADP).

Observações:

• A Hexoquinase é inibida alostericamente pelo produto da reação (G6P) e possui alta afinidade pela glicose (Km baixo).
• A Glicoquinase (presente principalmente no fígado e pâncreas) tem baixa afinidade pela glicose (Km alto) e sua função principal é remover a glicose do sangue após a alimentação, quando a concentração de glicose está alta. Não é inibida por G6P.
• A fosforilação da glicose em G6P impede sua saída da célula e mantém o gradiente de concentração favorável à entrada de mais glicose.

Ligação Glicosídica: Une monossacarídeos para formar dissacarídeos e polissacarídeos.

Regulação do Ciclo de Krebs (Ciclo do Ácido Cítrico)

O fluxo de átomos de carbono através do Ciclo de Krebs é finamente regulado em múltiplos níveis:

1. Formação de Acetil-CoA (Complexo Piruvato Desidrogenase - PDH):
   • Inibição por Produto: Acetil-CoA e NADH inibem o complexo.
   • Modificação Covalente: O complexo é inativo quando fosforilado (por uma PDH Quinase) e ativo quando desfosforilado (por uma PDH Fosfatase). A quinase é ativada por ATP, Acetil-CoA e NADH; a fosfatase é ativada por Ca²⁺.
   • Regulação Alostérica: ATP, Acetil-CoA e NADH inibem. AMP, CoA e NAD+ ativam.
2. Entrada no Ciclo (Citrato Sintase): Inibida por ATP, NADH, Succinil-CoA e Citrato (produto).
3. Isocitrato Desidrogenase: Ativada por ADP e Ca²⁺. Inibida por ATP e NADH.
4. α-Cetoglutarato Desidrogenase: Ativada por Ca²⁺. Inibida por Succinil-CoA e NADH (produtos).

Resumo da Regulação Enzimática no Ciclo:

• Piruvato → Acetil-CoA (PDH): AMP ativa. Acetil-CoA, NADH e ATP inibem.
• Isocitrato → α-Cetoglutarato (Isocitrato Desidrogenase): ADP ativa. NADH e ATP inibem.
• α-Cetoglutarato → Succinil-CoA (α-Cetoglutarato Desidrogenase): NADH e Succinil-CoA inibem.
• Malato → Oxaloacetato (Malato Desidrogenase): NADH inibe.

Regulação do Metabolismo do Glicogênio

Degradação (Glicogenólise)

GLICOGÊNIO → (Enzima: Glicogênio Fosforilase; entra Pi) → GLICOSE-1-FOSFATO → (Enzima: Fosfoglicomutase) → GLICOSE-6-FOSFATO

Destinos da Glicose-6-Fosfato:

• Fígado: Glicose-6-Fosfato → (Enzima: Glicose-6-Fosfatase; sai Pi) → GLICOSE (liberada no sangue)
• Músculo e outros tecidos: Glicose-6-Fosfato entra na Glicólise → PIRUVATO → LACTATO (anaerobiose) ou ACETIL-COA → Ciclo de Krebs → CO₂ e H₂O (aerobiose)

Síntese (Glicogênese)

GLICOSE → (Enzima: Hexoquinase/Glicoquinase; ATP → ADP) → GLICOSE-6-FOSFATO → (Enzima: Fosfoglicomutase) → GLICOSE-1-FOSFATO → (Enzima: UDP-Glicose Pirofosforilase; UTP → PPi) → UDP-GLICOSE → (Enzima: Glicogênio Sintase; (glicose)n → (glicose)n+1) → GLICOGÊNIO (libera UDP)

Regulação da Glicogênio Fosforilase

• Ativação Alostérica: Por AMP (no músculo).
• Inibição Alostérica: Por ATP e Glicose-6-Fosfato (no músculo); por Glicose (no fígado).
• Modificação Covalente (Regulação Hormonal):
  • A Glicogênio Fosforilase Quinase ativa a Glicogênio Fosforilase por fosforilação.
  • A Fosfoproteína Fosfatase-1 (PP1) inativa a Glicogênio Fosforilase por desfosforilação.
  • A Glicogênio Fosforilase Quinase é, por sua vez, ativada por fosforilação pela Proteína Quinase A (PKA) e por íons Ca²⁺.

Formação do AMPc (Segundo Mensageiro): Hormônio (Adrenalina, Glucagon) → Receptor → Proteína G → Subunidade α ativa → Adenilato Ciclase → ATP → AMPc.

O AMPc ativa a PKA (Proteína Quinase A), que é um tetrâmero (2 subunidades reguladoras, 2 catalíticas). 4 moléculas de AMPc ligam-se às subunidades reguladoras, liberando as subunidades catalíticas ativas.

Regulação da Glicogênio Sintase

• Modificação Covalente (Regulação Hormonal):
  • A Glicogênio Sintase é inativa quando fosforilada (pela PKA e outras quinases).
  • A Glicogênio Sintase é ativa quando desfosforilada (pela PP1).
  • A mesma PKA que ativa a cascata de degradação (via fosforilação da Fosforilase Quinase) também inibe a síntese (via fosforilação da Glicogênio Sintase).
• Ativação Alostérica: Por Glicose-6-Fosfato.

Acoplamento Mitocondrial: CTE e Fosforilação Oxidativa

A Cadeia Transportadora de Elétrons (CTE), localizada na membrana mitocondrial interna (cristas mitocondriais), e a Fosforilação Oxidativa (síntese de ATP pela ATP Sintase) são processos acoplados e interdependentes.

Observação: A membrana interna mitocondrial é rica em proteínas e quase impermeável a íons e pequenas moléculas, exceto através de transportadores específicos.

Componentes da Cadeia Transportadora de Elétrons (CTE)

Os transportadores de elétrons estão organizados em complexos proteicos numa sequência definida:

• Complexo I (NADH Desidrogenase): Oxida NADH e transfere elétrons para a Ubiquinona (UQ). Bombeia prótons (H+).
• Complexo II (Succinato Desidrogenase): Oxida FADH₂ (do Ciclo de Krebs) e transfere elétrons para a UQ. Não bombeia prótons.
• Ubiquinona (UQ ou Coenzima Q): Transportador móvel de elétrons.
• Complexo III (Citocromo bc₁): Oxida a UQH₂ (forma reduzida da UQ), transfere elétrons para o Citocromo c e bombeia prótons (Ciclo Q).
• Citocromo c: Transportador móvel de elétrons (proteína periférica).
• Complexo IV (Citocromo c Oxidase): Recebe elétrons do Citocromo c, transfere-os para o oxigênio molecular (O₂ - aceptor final), reduzindo-o a água (H₂O). Bombeia prótons.
• Complexo V (ATP Sintase): Não faz parte do transporte de elétrons, mas utiliza o gradiente de prótons gerado pela CTE para sintetizar ATP.

O fluxo de elétrons através dos Complexos I, III e IV está acoplado ao bombeamento de prótons (H+) da matriz mitocondrial para o espaço intermembrana, gerando um gradiente eletroquímico.

Fosforilação Oxidativa

A energia armazenada no gradiente de prótons (força próton-motriz) é utilizada pela ATP Sintase (Complexo V) para catalisar a síntese de ATP a partir de ADP e Pi, à medida que os prótons fluem de volta para a matriz mitocondrial.

Regulação da CTE e Fosforilação Oxidativa

• A velocidade da CTE é primariamente regulada pela disponibilidade de substratos (NADH, FADH₂, O₂) e pela necessidade de ATP (níveis de ADP).
• Ambos os processos são inibidos quando:
  • A relação NADH/NAD+ é alta (pouco NAD+ disponível).
  • A relação ATP/ADP é alta (pouco ADP disponível para fosforilação).
  • A concentração de O₂ é baixa (aceptor final limitante).

Saldo Energético da Respiração Aeróbica (por molécula de Glicose)

• Glicólise (Citoplasma):
  • Produção direta: 2 ATP
  • Produção de 2 NADH (cada NADH rende ~2.5 ATP na CTE*) → ~5 ATP
• Oxidação do Piruvato a Acetil-CoA (Matriz Mitocondrial):
  • Produção de 2 NADH (1 por piruvato) → ~5 ATP
• Ciclo de Krebs (Matriz Mitocondrial):
  • Produção direta: 2 ATP (ou GTP)
  • Produção de 6 NADH (3 por Acetil-CoA) → ~15 ATP
  • Produção de 2 FADH₂ (1 por Acetil-CoA; cada FADH₂ rende ~1.5 ATP na CTE*) → ~3 ATP

TOTAL: Aproximadamente 30 a 32 ATPs por molécula de glicose.

*Nota: O rendimento exato pode variar dependendo da lançadeira usada para transportar os elétrons do NADH citoplasmático para a mitocôndria (Lançadeira Malato-Aspartato ou Glicerol-Fosfato). O valor histórico de 38 ATPs considera rendimentos inteiros (3 ATP/NADH, 2 ATP/FADH₂), que são menos precisos.

Metabolismo Bacteriano

• Metabolismo Aeróbico: Utiliza a CTE, gera força próton-motriz e tem o oxigênio como aceptor final de elétrons (similar aos eucariotos, mas ocorre na membrana plasmática).
• Metabolismo Anaeróbico:
  • Respiração Anaeróbica: Utiliza uma CTE, mas com um aceptor final de elétrons diferente do oxigênio (ex: nitrato, ferro (III), sulfato, carbonato).
  • Fermentação: A formação de ATP é restrita à Glicólise (fosforilação em nível de substrato). Não utiliza CTE. Compostos orgânicos servem como doadores e aceptores de elétrons.