CURSO BÁSICO DE BIOQUÍMICA CELULAR

 Capítulo I

CARBOIDRATOS

 
Conceitos Gerais:

Os Carboidratos são as biomoléculas mais abundantes na natureza. Para muitos Carboidratos, a fórmula geral é: [C(H2O)]n, daí o nome "Carboidratos", ou "Hidratos de Carbono". Alguns Carboidratos possuem em sua estrutura: Nitrogênio, Fósforo ou Enxofre, não se adequando, portando, à formula geral. São moléculas que desempenham uma ampla variedade de funções, entre elas: 

§      Fonte de energia

§      Reserva de energia

§      Estrutural

§      Matéria prima para a biossíntese de outras biomoléculas 

Os Carboidratos são divididos em três grandes grupos: Monossacarídeos,Dissacarídeos e Polissacarídeos.

Monossacarídeos:
 

São os Carboidratos mais simples que não podem ser hidrolisados, dos quais derivam todas as outras classes. Possuem a fórmula geral dos Carboidratos, isto é, o número de átomos de oxigênio é igual ao número de átomos de carbono, e o número de átomos de hidrogênio é igual ao dobro do número de átomos de carbono.

Quimicamente è  São Polihidroxialdeídos (ou Aldoses) - ou Polihidroxicetonas (ou Cetoses), ou seja, compostos orgânicos, com pelo menos três carbonos,  onde todos os carbonos possuem uma hidroxila, com exceção de um que possui a carbonila primária (grupamento aldeídico) ou a carbonila secundária (grupamento cetônico).

 

Grupamento Aldeídico                         Grupamento Cetônico

                    

Feita exceção à Dihidroxicetona, todos os outros Monossacarídeos ,  e por extensão, todos os outros Carboidratos,  possuem centros de assimetria (ou quirais), e fazem isomeria óptica.

Carbono assimétrico é aquele que esta ligado a quatro radicais diferentes entre si.

 

 

O carbono assimétrico é o que está ligado a 4 radicais diferentes e representa   o centro quiral da molécula.

A classificação dos Monossacarídeos também pode ser baseada no número de carbonos de suas moléculas. Esse número varia de três a oito, assim sendo, as TRIOSES são os Monossacarídeos mais simples, seguidos das TETROSES, PENTOSES, HEXOSES, HEPTOSES e OCTOSES.  Desses, os mais importantes para os organismos vivos são as Pentoses e as Hexoses.  

As Pentoses mais importantes são:

§      Ribose (ocorre no RNA e tem função estrutural)

§      Desoxirribose (ocorre no DNA e tem função estrutural)

§      Arabinose

§      Xilose 

As Hexoses mais importantes são:

§      Glicose (ocorre no sangue e mel  e tem função energética)

§      Galactose (ocorre no leite e tem função energética)

§      Manose

§      Frutose (ocorre nas frutas e tem função energética)

Em solução aquosa, os Monossacarídeos estão presentes na sua forma aberta (cadeia linear) em uma proporção de apenas 0,02% .O restante das moléculas está ciclizado na forma de um anel hemiacetal de 5 ou de 6 vértices. O anel de 5 vértices é chamado de anel furanosídico  (ciclização feita através da ligação do grupamento aldeídico com o carbono 4). O anel de 6 vértices é chamado de anel piranosídico (ciclização feita através da ligação do grupamento aldeídico com o carbono 5).

Na estrutura do anel, o carbono onde ocorre a formação do hemiacetal (ciclização) é denominado "Carbono Anomérico", e sua hidroxila pode assumir 2 formas:

§       Alfa è  Quando ela fica para baixo do plano do anel

§       Beta è  Quando ela fica para cima do plano do anel

As outras hidroxilas da molécula, quando representadas na forma em anel, seguem a seguinte convenção:

§      Se estiverem para a direita, serão consideradas para baixo do plano do anel

§      Se estiverem para a esquerda, serão consideradas para cima do plano do anel.

A interconversão entre estas formas é dinâmica e denomina-se Mutarrotação                                                                                                                                                                              

 

Observar que o Carbono Anomérico do anel furanosídico é o 4, enquanto que no anel piranosídico é o  carbono 5

Para a molécula da glicose, em solução aquosa,  as proporções são as seguintes:

§      b - D - Glicopiranose: 62%

§      a - D - Glicopiranose: 37%

§      a - D - Glicofuranose: menos de 0,5%

§      b  - D - Glicofuranose: menos de 0,5%

§      Forma aberta: menos de 0,02% . 

São Chamados Monossacarídeos Epímeros aqueles que diferem entre si na posição de apenas uma hidroxila. Exemplos:

§      Glicose e Galactose são epímeros em C4

§      Glicose e Manose são epímeros em C2

 

Dissacarídeos:

São Carboidratos hidrolisáveis, ditos Glicosídeos, formados pela união de duas moléculas de Monossacarídeos através de uma ligação química especial denominada Ligação Glicosídica, com liberação de molécula de água.

A Ligação Glicosídica  ocorre entre o carbono anomérico de um Monossacarídeo e qualquer outro carbono do Monossacarídeo seguinte, através de suas hidroxilas,  e com a saída de uma molécula de água.

O tipo de ligação Glicosídica é definido pelos carbonos envolvidos e pelas configurações de suas hidroxilas. Exemplos:

§      Na Maltose è Gli a (1,4)-Gli . A maltose é formada pela união de duas moléculas de glicose. Apresenta função energética, estando presente no trigo e na batata.

§      Na Sacarose è Gli a (1,2)- b -Fru . A sacarose é formada pela  união de uma molécula de glicose e uma de frutose. Apresenta função energética, estando presente na cana-de-açúcar e na beterraba.

§      Na Lactose è Gal b (1,4)-Gli . A lactose é formada pela união de uma molécula de glicose e uma de galactose. Apresenta função energética, estando presente no leite.

§      Na Celobiose è Gli b (1,4)-Gli . A celobiose é formada pela união de duas  moléculas de glicose. Apresenta função estrutural, já que é um produto de degradação parcial da celulose, polissacarídeo integrante da parede celular dos vegetais.

§      Trealose è glicose + glicose a (1-1).

Dissacarídeos

Estrutura molecular dos três dissacarídeos mais importantes na dieta humana. A maltose possui um isômero      a (1 - 6),    iso-maltose formada durante o processo digestivo do amido e glicogênio.                                                                             

Polissacarídeos:

São os Carboidratos complexos, também chamados de Glicanas, constituídos de macromoléculas formadas por milhares de unidades monossacarídicas (Hexoses) ligadas entre si por ligações Glicosídicas na forma  a ou b.

Alguns funcionam como reserva de carboidratos, outros atuam na morfologia celular.

Os Polissacarídeos mais importantes são os formados pela polimerização da Glicose, em número de três:

1-    Amido è É o Polissacarídeo de reserva energética da célula vegetal . É formado por moléculas de glicose ligadas entre si através de numerosas ligações a (1,4) e poucas ligações a (1,6), ou "pontos de ramificação" da cadeia. A molécula sem pontos de ramificação é denominada amilose, enquanto aquela que se apresenta com ramificação recebe o nome de  amilopectina. Sua molécula é muito linear, e forma hélice em solução aquosa. Encontra-se armazenado em grandes proporções em raízes tuberosas como a mandioca, caules, tubérculos, como a batata inglesa, e em certas sementes como o milho. A hidrólise total do  amido forma moléculas  de glicose, enquanto a hidrólise parcial produz moléculas de maltose.

2-    Glicogênio è  É o Polissacarídeo de reserva energética da célula animal .Muito semelhante ao amido, possui um número bem maior de ligações          a (1,6), o que confere um alto grau de ramificação à sua molécula. Os vários pontos de ramificação constituem um importante impedimento à formação de uma estrutura em hélice.  Encontra-se armazenado sobretudo no fígado e nos músculos. A hidrólise total do glicogênio forma moléculas de glicose, enquanto que a hidrólise parcial produz moléculas de maltose.

 

3-    Celulose è  É o Carboidrato mais abundante na natureza. Possui função estrutural, sendo o principal componente da parede celular dos vegetais, responsável pela extrema resistência de alguns caules. .Possui um tipo de ligação glicosídica b (1- 4), que confere à molécula uma estrutura espacial muito linear, o que possibilita a formação de fibras insolúveis em água e não digeríveis pelo  homem. Somente os animais  que possuem bactérias e protozoários simbióticos em seus aparelhos digestivos (herbívoros) são capazes de digeri-la. A hidrólise total da celulose forma moléculas de glicose, enquanto a hidrólise parcial produz moléculas de celobiose.

Além dos três exemplos de   Polissacarídeos mencionados, podem ainda ser citados:

a)-Heparina è Substância de ação anti-coagulante nos vasos sanguíneos dos animais, produzida por células do  tecido conjuntivo propriamente dito, denominadas mastócitos.

b)-Quitina è  Substância nitrogenada com função estrutural, presente na parede celular dos fungos e no exoesqueleto dos artrópodes.

c)-Ácido Hialurônico è  Substância presente no material intracelular dos tecidos conjuntivos, com função estrutural importante na parede celular.

Os Glicosídeos podem ser formados também pela ligação de um carboidrato a uma estrutura não-carboidrato, como uma proteína, um lipídio  ou um ácido, recebendo os nomes de glicoproteínas, lipoproteínas e polissacarídeos ácidos, respectivamente.

As células animais têm um revestimento externo (glicocálix) macio e flexível formado por cadeias oligossacarídicas ligadas a lipídios (lipoproteínas) e proteínas (glicoproteínas). As glicoproteínas possuem um ou mais carboidrato em sua composição molecular, sendo que a maioria das proteínas da superfície celular são glicoproteínas.

Os tecidos conjuntivos dos animais possuem vários mucopolissacárides ácidos (p.ex.: o ácido hialurônico), formados por unidades de açúcar alternadas, uma das quais contém o grupamento ácido. Essas estruturas, nas quais a porção polissacarídica predomina, são chamadas proteoglicanas.

Outro polissacarídeo ácido importante é a heparina,  formada por glicosamina + ácido urônico + os aminoácidos serina ou glicina.

Após a hidrólise e absorção dos carboidratos nos intestinos, a veia porta hepática fornece ao fígado uma quantidade enorme de glicose que vai ser liberada para o sangue e suprir as necessidades  energéticas de todas as células do organismo.

As concentrações normais de glicose plasmática (glicemia) situam-se em torno de 70  a 110 mg/dl, sendo que situações de hiperglicemia tornam o sangue concentrado,  alterando os mecanismos de troca da água do Líquido Intracelular com o Líquido Extracelular, além de ter efeitos degenerativos no Sistema Nervoso Central. Sendo assim, um sistema hormonal apurado entra em ação para evitar que o aporte sangüíneo de glicose exceda os limites de normalidade.

Os hormônios pancreáticos, insulina e glucagon,  possuem ação regulatória sobre a glicemia plasmática. Não são os únicos envolvidos no metabolismo dos carboidratos, os hormônios sexuais, epinefrina, glicocorticóides, tireoidianos, etc.  também têm influencia na glicemia, porém, sem dúvida, são os mais importantes.

A Insulina é produzida nas células b das ilhotas de Langerhans e é armazenada em vesículas do Aparelho de Golgi em uma forma inativa (pró-insulina). Nessas células existem receptores celulares que detectam níveis de glicose plasmáticas (hiperglicemia) após uma alimentação rica em carboidratos. A insulina é ativada e liberada na circulação sangüínea. Como efeito imediato, a insulina possui três efeitos principais:

1.    Estimula a captação de glicose pelas células (com exceção dos neurônios e hepatócitos)

2.    Estimula o armazenamento de glicogênio hepático e muscular (Glicogênese).

3.    Estimula o armazenamento de aminoácidos  no fígado e músculos)  e,  ácidos graxos nos adipócitos.

Como resultado dessas ações, ocorre a queda gradual da glicemia (hipoglicemia) que estimula as células b-pancreáticas a liberar o Glucagon. Esse hormônio possui ação antagônica à insulina, com três efeitos básicos:

1.    Estimula a mobilização dos depósitos de aminoácidos e ácidos graxos;

2.    Estimula a Glicogenólise

3.    Estimula a Neoglicogênese.

Esses efeitos hiperglicemiantes possibilitam nova ação insulínica, o que deixa a glicemia de um indivíduo normal em torno  de 70 a 110 mg/dl .

A captação de glicose pela célula se dá pelo encaixe da insulina com um receptor específico  existente na membrana celular. Esse complexo sofre endocitose, permitindo a entrada de glicose, eletrólitos e água para a célula.  A  glicose é, então,  metabolizada (através da Glicólise e Ciclo de Krebs). A  insulina sofre degradação pelos  enzimas intracelulares e o receptor é regenerado, reiniciando-se  o processo.

Quanto mais o complexo insulina/receptor é endocitado, mais glicose entra na célula, até que o plasma fique hipoglicêmico. Essa hipoglicemia, entretanto, não é imediata, pois a regeneração do receptor é limitante da entrada de glicose na célula, de forma a possibilitar somente a quantidade de glicose necessária, evitando, assim, o excesso de glicose intracelular.

Nos músculos, a glicose em excesso é convertida em glicogênio, assim como a glicose que retorna ao fígado.

A grande maioria das células do organismo são dependentes da insulina para captar glicose (o neurônio e os hepatócitos são exceções, pois não têm receptores específicos para insulina, sendo a glicose absorvida por difusão).

A deficiência na produção ou ausência total de insulina ou dos receptores caracteriza uma das doenças metabólicas mais comuns, o Diabetes Mellitus

Glicogênese

Corresponde a síntese de GLICOGÊNIO que ocorre no fígado e músculos (os músculos apresentam cerca de 4 vezes mais glicogênio do que o fígado, em razão de sua grande massa).

O glicogênio é uma fonte imediata de glicose para os músculos, quando ocorre a diminuição da glicose sangüínea (hipoglicemia).

A primeira reação no processo de formação do GLICOGÊNIO é a  fosforilação da glicose.  A glicose recebe o radical fosfato e se transforma em glicose-1-fosfato. Sob ação enzimática, a glicose-1-fosfato se isomeriza, transformando-se em glicose-6-fosfato.  A partir daí, ocorre a incorporação da uridina-tri-fosfato, a qual  promove a ligação entre o C1 de uma molécula com o C4 de outra molécula, resultando na formação de  uma maltose inicial que logo será acrescida de outras. Está assim iniciado o processo de polimerização da glicose, cujo produto final será o GLiCOGÊNIO

Glicose

                                                                 *

Glicose-1-Fosfato

                                                            *    

              Glicose-6-Fosfato

                                                       *        

                                                   Maltose

                                                  *   

                                             Glicogênio

O glicogênio fica disponível no fígado e músculos, sendo consumido totalmente cerca de 24 horas após a última refeição.

Na Tabela abaixo, pode-se observar a quantidade de glicose disponível para o ser humano, levando em considerações as reservas hepáticas e musculares de GLICOGÊNIO:

  

 

Peso Relativo

Massa Total

Glicogênio Hepático

4,0 %

72 g (1)

Glicogênio Muscular

0,7 %

245 g (2)

Glicose extracelular

0,1 %

10 g (3)

TOTAL

-

327 g

Armazenamento de carboidratos em homens adultos normais (70 kg).

   (1)  Peso do fígado: 1.800g;

(2)  Massa muscular: 35kg:

(3)  Volume total: 10 litros.

 

 

Glicogenólise

          É o processo em que  o glicogênio sofre degradação e transforma-se em várias moléculas de GLICOSE. 

 Sempre que há  necessidade de GLICOSE, o glicogênio é mobilizado a partir de uma seqüência de reações que não é  o inverso da glicogênese, mas uma via metabólica complexa que se inicia a partir de estímulos hormonais reflexos da hipoglicemia, a cargo, principalmente,   dos seguintes hormônios: glucagon, adrenalina e glicocorticóides.

O processo se realiza com a hidrólise  da molécula de  glicogênio em várias moléculas  de   GLICOSE -1-FOSFATO  que são liberadas para entrar na via glicolítica.

Glicólise: Catabolismo da Glicose

           É a degradação da Glicose em uma série de reações enzimáticas a 2 moléculas de Piruvato, . durante a qual a energia liberada é conservada na forma de ATP.

          No interior da célula, sob ação enzimática, a Glicose, proveniente dos alimentos ou do glicogênio, passa por uma série de transformações até chegar a Piruvato. O Piruvato é então oxidado e se transforma no Acetil-Coenzima A. Isso ocorre em células sob condições aeróbicas.

          A maioria das células eucariotes e muitas bactérias normalmente são aeróbicas e oxidam completamente seus compostos orgânicos em CO2 e H2O. Na ausência de Oxigênio o Piruvato formado na via glicolítica sofre fermentação e  é  reduzido a Lactato ou Etanol . O Lactado provoca intensa contração na célula muscular (câimbra).

          Chegando ao estágio de Acetil-CoA, a via glicolítica passa a apresentar dois papéis::

1-    Gerar ATP.

2-    Fornecer componentes para a síntese de ácidos graxos e outras substâncias lipídicas e seus derivados (Triglicérides,Fosfolípides,Pigmentos Carotenóides, Colesterol e seus ésteres , Ácidos Biliares, Vitamina K e Hormônios Esteróides).

Para gerar ATP, o Acetil-CoA entra no Ciclo de  Krebs, que é a seqüência de reações enzimáticas  que ocorrem durante o processo de respiração celular, no interior da mitocôndria.

Na primeira reação do Ciclo de Krebs, a Acetil-CoA doa seu grupo Acetil a um composto de 4 carbonos, denominado Oxalacetato, para formar um composto de 6 carbonos, o Citrato. O Citrato é então transformado em Isocitrato, também uma molécula de 6 carbonos, o qual é desidrogenado com perda de CO2 para produzir um composto de 5 carbonos,  o  a-Cetoglutarato. Este último submete-se a perda de uma molécula de CO2 e adição de uma molécula de CoA (coenzima A) para produzir um composto de 4 carbonos o Succinil-CoA. . Este é então convertido em Succinato  a partir da liberação da CoA e produção de GTP. O Succinato formado sofre outro processo de desidrogenação com formação de FADH, como aceptor dos prótons,  formando o Fumarato. O Fumarato é hidratado sendo convertido em Malato que, por sua vez, será desidrogenado com formação de NADH e Oxalacetato, reiniciando-se o Ciclo.                                               

                                               Ciclo de Krebs

 

 

                                                            Alimentos ou Glicogênio

                                                                           *

                      Glicose

                         *

                                             Glicose Fosfatada

                                  

                         Frutose Fosfatada

                                        

                     Gliceraldeído Fosfatado e Hidroxicetona Fosfatada

                                                                           *                                       

                            Fosfoglicerato

                                            

                       Piruvato

                                                                                                                                                          

                                                 Acetil-CoA

                                                       

                             Ciclo de Krebs

                                   

                                             H2O +CO2 + ATP

   
          A energia liberada no Ciclo de Krebs é conservada em carreadores de elétrons reduzidos denominados NADH (Nicotinamina-Adenina-Dinucleotídeo Hidrogenada) e FADH (Flavina-Adenina-Dinucleotídeo).  Esses cofatores reduzidos são oxidados produzindo prótons (H+) e elétrons. Os elétrons  são transferidos para o O2 ao longo de uma cadeia de moléculas carreadoras de elétrons, conhecida como Cadeia Respiratória, onde haverá a formação de H2O.

Durante esse processo de transporte de elétrons, energia é liberada e conservada na forma de ATP, em um processo chamado de Fosforilação Oxidativa .

 Como foi visto  anteriormente,  na presença de oxigênio o Piruvato formado na via Glicolítica será convertido em Acetil-CoA e CO2. Essa conversão é um processo de oxidação irreversível onde o grupo carboxílico do piruvato (composto por 3 carbonos) é removido na forma de CO2 e os dois carbonos remanescentes tornam-se o grupo Acetil da acetil-CoA. Nessa reação,  ocorre ainda a desidrogenação do Piruvato (perda de H) com formação de NADH. O NADH formado nessa reação pode então doar seus elétrons para a cadeia respiratória onde ocorrerá a transferência de elétrons para o oxigênio e a formação de 3 moléculas de ATP. Essa reação de descarboxilação e desidrogenação do Piruvato é conhecida então como Descarboxilação Oxidativa.

Energia Química

          É a energia contida em ligações químicas das moléculas de nutrientes especiais. Quando essas ligações quebradas durante a degradação de um nutriente, a energia química é liberada.

Os compostos de transferência de energia mais utilizados pelas células são aqueles capazes de transferir grande quantidade de energia, chamados compostos de transferência de alto nível energético . O mais importante é a Adenosina Trifosfato (ATP).

A decomposição da Glicose a Ácido Pirúvico apresenta algumas importante características:

1.    Duas moléculas de ATP são necessárias para converter a glicose em frutose 1,6-difosfato

2.    Um total de quatro  moléculas de ATP são produzidas por fosforilação do substrato

3.    A produção líquida de ATP por molécula de glicose  é igual a dois.

4.    No processo geral, 1 molécula de glicose resulta em duas de ácido pirúvico

5.    Duas moléculas de NADH são formadas

6.    A célula possui     quantidade limitada de NAD - utilizada para oxidar as moléculas de gliceraldeído-3-fosfato. Assim, deve existir um meio de regenerar continuamente o NAD (Nicotinamina-Adenina Dinucleotídeo) a partir de NADH , para permitir que a glicólise continue.

Os seres vivos usam 2 métodos para regenerar o NAD a partir de NADH :

1-    Fermentação : É  um processo pouco eficiente na produção de energia pois os produtos finais ainda contêm grande quantidade de energia química.

2-    Respiração: É um processo de regeneração de NAD, utilizando o NADH2 como doador de elétrons para um sistema de transporte de elétrons. Se o O2 é o aceptor final de elétrons, então tem-se uma RESPIRAÇÃO AERÓBIA. E se o NO3 ou SO4 forem os aceptores finais de elétrons, então tem-se a RESPIRAÇÃO ANAERÓBIA

Gliconeogênese: Anabolismo da Glicose

          É a síntese de novas moléculas de glicose a partir de compostos não-carboidratos. Os precursores mais importantes são:

 

§      Piruvato

§      Lactato 

§      Intermediários do Ciclo de Krebs

§      Muitos aminoácidos 

 

§      A conversão do Piruvato em Fosfoenolpiruvato, 

§      A desfosforilação da Frutose-1,6-difosfato

§      A desfosforilação da Glicose-6-fosfato

 

A Gliconeogênese gasta 4 ATPs e 2 GTPs para sintetizar uma molécula de Glicose a partir do Piruvato .

     Durante a recuperação de um exercício físico intenso, a gliconeogênese é um processo muito ativo, resultando na conversão de Lactato em Glicose e Glicogênio.

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