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SS1_2018_Lecture_05 - Biologia


Metabolismo em BIS2A

O metabolismo celular representa cerca de 1/3 do currículo BIS2A. Você aprenderá sobre algumas reações químicas comuns associadas à transformação dos blocos de construção moleculares da vida e sobre os diferentes modos essenciais de transferência de energia que encontrará com frequência na biologia. A história da energia e as rubricas de desafio de design apresentadas anteriormente se tornarão cada vez mais importantes nos próximos módulos e além.

O que aprendemos? Como isso se relacionará com o metabolismo?

  1. Nós nos concentramos na identificação e propriedades químicas de grupos funcionais biológicos comuns. À medida que mergulhamos no metabolismo, isso o ajudará a se familiarizar e, às vezes, até a prever a natureza / reatividade química de compostos que você nunca viu antes.
  2. Temos praticado o reconhecimento e a classificação de moléculas em quatro grupos funcionais principais. Isso o ajudará quando começarmos a discutir como construir e quebrar essas moléculas.
  3. Aprendemos um pouco de termodinâmica básica, o que nos dá um conjunto comum de conceitos com os quais discutir se uma reação ou processo bioquímico é provável de ocorrer e, em caso afirmativo, em que direção e com que rapidez. Isso será crítico quando começarmos a considerar alguns dos principais tipos de reações que ocorrem no metabolismo.
  4. Aprendemos e praticamos a rubrica da história da energia. Isso também nos permitirá examinar sistematicamente novos processos e reações bioquímicas e discuti-los com uma linguagem e abordagem comuns que sejam consistentes e reforcem as lições que aprendemos sobre termodinâmica.

Uma breve visão geral desta seção

  • Você será apresentado a um conceito importante chamado potencial de redução e você terá a oportunidade de usar uma torre redox. Há também uma discussão sobre química redox em seu manual de discussão. Certifique-se de usar os dois recursos.
  • Você será apresentado a dois atores importantes no metabolismo, ATP e NADH. Espera-se que você reconheça suas estruturas se mostradas em um exame.
  • A glicólise da via metabólica será abordada em detalhes. Lembre-se de que queremos que você seja capaz de observar qualquer reação e nos contar uma história energética dessa reação. De maneira nenhuma você deve perder tempo tentando memorizar esses caminhos (embora seja de grande ajuda lembrar algumas coisas do quadro geral - isso será enfatizado). Freqüentemente, daremos a você o caminho como uma figura nos exames. A glicólise, em última análise, produz 2 ATP por meio de um processo denominado fosforilação em nível de substrato, 2 NADH e 2 compostos de piruvato.
  • Usaremos as reações do ciclo do TCA para criar vários exemplos de histórias de energia. O ciclo de TCA também produzirá mais ATP, NADH e oxidará completamente a glicose em CO2.
  • Veremos um caminho alternativo ao ciclo do TCA, a fermentação. Na fermentação, pela primeira vez, veremos o NADH usado como reagente em uma reação metabólica.
  • Seguiremos o NADH até o final de sua jornada, pois ele doa seus elétrons para a cadeia de transporte de elétrons (ETC). Neste módulo, você precisará ser capaz de usar uma torre redox. O ETC produz um gradiente de prótons. Nenhum ATP é gerado diretamente neste processo. No entanto, o gradiente de prótons é então usado pela célula (entre outras coisas) para executar uma enzima chamada ATP sintase que catalisa a reação ADP + Pi -> ATP. Este método de produção de ATP (chamado respiração oxidativa) resulta na produção de muito mais ATP do que a fosforilação em nível de substrato.
  • E, finalmente, passaremos pelo processo de fotossíntese.

Reações de Redução-Oxidação

Nesta classe, a maioria dos reações de oxidação / redução as reações que discutimos ocorrem no contexto de vias metabólicas (conjuntos conectados de reações metabólicas), onde os compostos podem ser consumidos pela célula, divididos em partes menores e, em seguida, remontados em macromoléculas maiores.

Vamos começar com algumas reações genéricas

A transferência de elétrons entre dois compostos resulta em um desses compostos perdendo um elétron e um dos compostos ganhando um elétron. Por exemplo, observe a figura abaixo. Se usarmos a rubrica da história de energia para examinar a reação geral, podemos comparar as características antes e depois dos reagentes e produtos. O que acontece com o assunto (coisas) antes e depois da reação? O Composto A começa como neutro e torna-se carregado positivamente. O Composto B começa como neutro e torna-se carregado negativamente. Como os elétrons são carregados negativamente, podemos acompanhar o movimento dos elétrons do composto A para o B observando a mudança na carga. A perde um elétron (tornando-se carregado positivamente) e, ao fazer isso, dizemos que A se oxidou. Oxidaçãoestá associado à perda de elétron (s). B ganha o elétron (ficando com carga negativa), e dizemos que B ficou reduzido. Reduçãoestá associado ao ganho de elétrons. Também sabemos, uma vez que algo aconteceu, essa energia deve ter sido transferida e / ou reorganizada neste processo e consideraremos isso em breve.

Figura 1. Uma reação genérica vermelho / boi. A reação completa é A + B vai para A+ + B-. As duas meias reações são mostradas na caixa azul. A é oxidado pela reação e B é reduzido pela reação.

Dito de outra forma, quando um elétron (s) é perdido, ou uma molécula é oxidado, o (s) elétron (es) devem então passar para outra molécula. A molécula que ganha o elétron é considerada reduzido. *** As reações de oxidação e redução são sempre emparelhado no que é conhecido como um reação de oxidação-redução (também chamada de reação vermelho / boi). ****

Esperamos que você se familiarize com essa terminologia no Bis2A. Tente aprendê-lo e aprender a usá-lo o mais rápido possível - usaremos os termos com frequência e não teremos tempo para defini-los todas as vezes.

Lembre-se das definições:

A meia reação

Para formalizar nosso entendimento comum das reações vermelho / boi, introduzimos o conceito de meia reação. Duas meias reações são necessárias para fazer a reação vermelha / boi completa. Cada meia reação pode ser vista como uma descrição do que acontece com uma das duas moléculas envolvidas na reação vermelho / boi. Isso é ilustrado abaixo. Neste exemplo, o composto AH está sendo oxidado pelo composto B+; elétrons estão se movendo de AH para B+ para gerar A+ e BH. Cada reação pode ser considerada como duas semi-reações: onde AH está sendo oxidado e uma segunda reação onde B+ está sendo reduzido a BH. Essas duas reações são consideradas acoplado, termo que indica que essas duas reações ocorrem juntas, ao mesmo tempo.

Figura 2. Reação vermelha / boi genérica em que o composto AH está sendo oxidado pelo composto B+. Cada meia reação representa uma única espécie ou composto para perder ou ganhar elétrons (e um próton subsequente, conforme mostrado na figura acima). Na meia reação # 1, AH perde um próton e 2 elétrons: na segunda meia reação, B+ ganha 2 elétrons e um próton. Neste exemplo, HA é oxidado a A+ enquanto B+ é reduzido a BH.

Possível discussão

Se você considerar uma reação vermelha / boi genérica e refletir sobre as aulas termodinâmicas, qual fator determinará se uma reação vermelho / boi "irá" espontaneamente em uma determinada direção e o que pode determinar sua taxa?

Potencial de redução

Por convenção, analisamos e descrevemos as reações vermelho / boi com relação a potenciais de redução, um termo que descreve quantitativamente a "capacidade" de um composto de ganhar elétrons. Este valor do potencial de redução é determinado experimentalmente, mas para o propósito deste curso presumimos que o leitor aceitará que os valores relatados estão razoavelmente corretos. Podemos antropomorfizar o potencial de redução dizendo que ele está relacionado à força com a qual um composto pode “atrair” ou “puxar” ou “capturar” elétrons. Não é de surpreender que isso esteja relacionado, mas não idêntico, à eletronegatividade.

Qual é essa propriedade intrínseca de atrair elétrons?

Diferentes compostos, com base em sua estrutura e composição atômica, têm atrações intrínsecas e distintas para os elétrons. Essa qualidade é denominada potencial de redução ou E0 ’e é uma quantidade relativa (relativa em comparação com alguns “padrão" reação). Se um composto de teste tem uma "atração" mais forte por elétrons do que o padrão (se os dois competissem, o composto de teste "pegaria" elétrons do composto padrão), dizemos que o composto de teste tem um potencial de redução positivo cuja magnitude é proporcional a quanto mais ele "quer" elétrons do que o composto padrão. A força relativa do composto em comparação com o padrão é medida e relatada em unidades de Volts (V)(às vezes escrito como elétron-volts ou eV) ou miliVolts (mV). O composto de referência na maioria das torres vermelha / boi é H2.

Possível discussão

Reformule você mesmo: como você descreve ou pensa sobre a diferença entre o conceito de eletronegatividade e o potencial vermelho / boi?

A Torre Vermelha / Boi

Todos os tipos de compostos podem participar das reações vermelho / boi. Uma ferramenta foi desenvolvida para tabular graficamente as semi-reações vermelho / boi com base em seu E0' valores e para nos ajudar a prever a direção do fluxo de elétrons entre potenciais doadores e aceitadores de elétrons. Se um determinado composto pode atuar como um doador de elétrons (redutor) ou aceitador de elétrons (oxidante) depende criticamente de qual outro composto está interagindo. A torre de elétrons geralmente classifica uma variedade de compostos comuns (suas meias reações) da maioria dos E negativos0', compostos que eliminam prontamente os elétrons, para o E mais positivo0', compostos com maior probabilidade de aceitar elétrons. Além disso, cada meia reação é escrita por convenção com a forma oxidada à esquerda / seguida pela forma reduzida à direita da barra.
Por exemplo, a meia reação para a redução de NAD+ para NADH está escrito:
NAD+/ NADH. Na torre abaixo, o número de elétrons que são transferidos também é listado. Por exemplo, a redução de NAD+ para NADH envolve dois elétrons, escritos na tabela como 2e-.

Uma torre de elétrons bioquímica é mostrada abaixo.

forma oxidada

forma reduzida

n (elétrons)

Eo´ (volts)

PS1 * (boi)

PS1 * (vermelho)

-

-1.20

Acetato + CO2

piruvato

2

-0.7

ferredoxina (boi) versão 1

ferredoxina (vermelho) versão 1

1

-0.7

succinato + CO2 + 2H+

a-cetoglutarato + H2O

2

-0.67

PSII * (boi)

PSII * (vermelho)

-

-0.67

P840 * (boi)

PS840 * (vermelho)

-

-0.67

acetato

acetaldeído

2

-0.6

glicerato-3-P

gliceraldeído-3-P + H2O

2

-0.55

O2

O2-

1

-0.45

ferredoxina (boi) versão 2

ferredoxina (vermelho) versão 2

1

-0.43

CO2

glicose

24

-0.43

CO2

formato

2

-0.42

2H +

H2

2

-0,42 (em [H+] = 10-7; pH = 7)

α-cetoglutarato + CO2 + 2H+

isocitrato

2

-0.38

acetoacetato

b-hidroxibutirato

2

-0.35

Cistina

cisteína

2

-0.34

Piruvato + CO2

malato

2

-0.33

NAD+ + 2H+

NADH + H+

2

-0.32

NADP+ + 2H+

NADPH + H+

2

-0.32

Complexo I FMN (ligado à enzima)

FMNH2

2

-0.3

Ácido lipóico, (boi)

Ácido lipóico, (vermelho)

2

-0.29

1,3 bisfosfoglicerato + 2H+

gliceraldeído-3-P + Peu

2

-0.29

Glutationa, (boi)

Glutationa, (vermelho)

2

-0.23

MANIA+ (grátis) + 2H+

FADH2

2

-0.22

Acetaldeído + 2H+

etanol

2

-0.2

Piruvato + 2H+

lactato

2

-0.19

Oxalacetato + 2H+

malato

2

-0.17

α-cetoglutarato + NH4+

glutamato

2

-0.14

MANIA+ + 2H+ (vinculado)

FADH2 (vinculado)

2

0.003-0.09

Azul de metileno, (boi)

Azul de metileno, (vermelho)

2

0.01

Fumarato + 2H+

succinato

2

0.03

CoQ (Ubiquinona - UQ + H+)

UQH.

1

0.031

UQ + 2H+

UQH2

2

0.06

Ácido desidroascórbico

ácido ascórbico

2

0.06

Plastoquinona; (boi)

Plastoquinona; (vermelho)

-

0.08

Ubiquinone; (boi)

Ubiquinone; (vermelho)

2

0.1

Complexo III Citocromo b2; Fe3+

Citocromo b2; Fe2+

1

0.12

Fe3+ (pH = 7)

Fe2+ (pH = 7)

1

0.20

Complexo III Citocromo c1; Fe3+

Citocromo c1; Fe2+

1

0.22

Citocromo c; Fe3+

Citocromo c; Fe2+

1

0.25

Complexo IV Citocromo a; Fe3+

Citocromo a; Fe2+

1

0.29

1/2 O2 + H2O

H2O2

2

0.3

P840GS (boi)

PS840GS (vermelho)

-

0.33

Complexo IV Citocromo a3; Fe3+

Citocromo a3; Fe2+

1

0.35

Ferricianeto

ferrocianeto

2

0.36

Citocromo f; Fe3+

Citocromo f; Fe2+

1

0.37

PSIGS (boi)

PSIGS (vermelho)

.

0.37

Nitrato

nitrito

1

0.42

Fe3+ (pH = 2)

Fe2+ (pH = 2)

1

0.77

1/2 O2 + 2H+

H2O

2

0.816

PSIIGS (boi)

PSIIGS (vermelho)

-

1.10

* Estado Excitado, após absorver um fóton de luz

GS Ground State, estado antes de absorver um fóton de luz

PS1: Fotossistema Oxigênico I

P840: Centro de reação bacteriana contendo bacterioclorofila (anoxigênica)

PSII: Fotossistema Oxigênico II

Tabela 1. Torre vermelha / boi comum usada no Bis2A. Por convenção, as meias-reações da torre são escritas com a forma oxidada do composto à esquerda e a forma reduzida à direita. Os compostos que são bons doadores de elétrons têm potenciais de redução altamente negativos. Compostos como glicose e gás hidrogênio são excelentes doadores de elétrons. Em contraste, os compostos que são excelentes aceitadores de elétrons, como o oxigênio e o nitrito, têm.

Vídeo na torre de elétrons

Para um breve vídeo sobre como usar a torre de elétrons em problemas vermelho / boi, clique aqui ou abaixo. Este vídeo foi feito pelo Dr. Easlon para alunos da Bis2A. (Isso é bastante informativo.)

Qual é a relação entre ΔE0' e ΔG?

A questão agora é: como saber se alguma reação vermelho / boi é energeticamente espontânea ou não (exergônica ou endergônica) e, independentemente da direção, qual é a diferença de energia livre? A resposta está na diferença nos potenciais de redução dos dois compostos. A diferença no potencial de redução para a reação ou E0 ' para a reação, é a diferença entre o E0' para o oxidante (o composto obtendo os elétrons e causando a oxidação do outro composto) e o redutor (o composto perdendo os elétrons). Em nosso exemplo genérico abaixo, AH é o redutor e B+ é o oxidante. Os elétrons estão se movendo de AH para B+. Usando o E0' de -0,32 para o redutor e +0,82 para o oxidante a mudança total em E0' ou ΔE0 ' é 1,14 eV.

Figura 3. Reação red / ox genérica com semi-reações escritas com potencial de redução (E0') das duas meias-reações indicadas.

A mudança em ΔE0' correlaciona-se a mudanças em Energia livre de Gibbs, ΔG. Em geral, um grande ΔE positivo0' é proporcional a um grande ΔG negativo. As reações são exergônicas e espontâneas. Para uma reação ser exergônica, a reação precisa ter uma mudança negativa na energia livre ou -ΔG, isso corresponderá a um positivo ΔE0'. Em outras palavras, quando os elétrons fluem "morro abaixo" em uma reação vermelho / boi de um composto com um potencial de redução menor (mais negativo) para um segundo composto com um potencial de redução maior (mais positivo), eles liberam energia livre. Quanto maior a voltagem, E0', entre os dois componentes, maior será a energia disponível quando ocorre o fluxo de elétrons. É, de fato, possível quantificar a quantidade de energia livre disponível. A relação é dada pela equação de Nernst:

Figura 4. A equação de Nernst relaciona a energia livre de uma reação vermelho / boi à diferença no potencial de redução entre os produtos reduzidos da reação e o reagente oxidado.
Atribuição: Marc T. Facciotti

Onde:

  • n é o número de moles de elétrons transferidos
  • F é a constante de Faraday de 96,485 kJ / V. Às vezes, é dado em unidades de kcal / V, que é 23,062 kcal / V, que é a quantidade de energia (em kJ ou kcal) liberada quando um mol de elétrons passa por uma queda de potencial de 1 volt

Observação

O que você deve notar é que ΔG e ΔE têm uma relação inversa: quando ΔG é positivo, ΔE é negativo e quando ΔG é negativo, ΔE é positivo. Para uma revisão adicional, consulte a discussão sobre o vermelho / boi no Manual de discussão Bis2A.

Introdução às operadoras de energia móvel

Resumo da Seção

A energia é movimentada e transferida dentro da célula de várias maneiras. Um mecanismo crítico que a natureza desenvolveu é o uso de transportadores recicláveis ​​de energia molecular. Embora existam vários importantes transportadores de energia reciclável, todos eles compartilham algumas características funcionais comuns:

Propriedades dos principais transportadores de energia molecular celular

  • Pensamos nos portadores de energia como existindo em "pools" de portadores disponíveis. Pode-se, por analogia, considerar essas transportadoras de energia móvel análogas aos veículos de entrega das transportadoras de encomendas - a empresa tem um certo "pool" de veículos disponíveis a qualquer momento para coletar e fazer entregas.
  • Cada portador individual no pool pode existir em um de vários estados distintos: ele está carregando uma "carga" de energia, uma carga fracionada ou está "vazio". A molécula pode se interconverter entre "carregada" e vazia e, portanto, pode ser reciclada. Novamente por analogia, os veículos de entrega podem estar carregando pacotes ou estar vazios e alternar entre esses estados.
  • O equilíbrio ou proporção no pool entre portadores "carregados" e "descarregados" é importante para a função celular, é regulado pela célula e muitas vezes pode nos dizer algo sobre o estado de uma célula. Da mesma forma, um serviço de transporte de encomendas controla de perto o quão cheios ou vazios estão seus veículos de entrega - se eles estiverem muito cheios, pode haver caminhões "vazios" insuficientes para pegar novos pacotes; se estiverem muito vazios, o negócio não deve estar indo bem ou será encerrado. Existe um equilíbrio adequado para diferentes situações.

Neste curso, examinaremos dois tipos principais de transportadores de energia reciclável molecular: (1) os nucleotídeos de adenina, especificamente: nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+), um parente próximo, fosfato de dinucleotídeo de nicotinamida adenina (NADP+), e flavina adenina dinucleotídeo (FAD2+) e (2) mono-, di- e trifosfatos de nucleotídeos, com particular atenção para trifosfato de adenosina (ATP). Cada um desses dois tipos de moléculas está envolvido na transferência de energia que envolve diferentes classes de reações químicas. Os nucleotídeos de adenina estão principalmente associados à química redox, enquanto os trifosfatos de nucleotídeos estão associados a transferências de energia que estão ligadas à hidrólise ou condensação de fosfatos inorgânicos.

Química vermelha / boi e portadores de elétrons

A oxidação ou remoção de um elétron de uma molécula (seja acompanhada com a remoção de um próton acompanhante ou não) resulta em uma mudança de energia livre para aquela molécula - matéria, energia interna e entropia mudaram no processo . Da mesma forma, a redução (do ganho de elétron) de uma molécula também altera sua energia livre. A magnitude da mudança na energia livre e sua direção (positiva ou negativa) para uma reação vermelho / boi dita a espontaneidade da reação e quanta energia é transferida. Em sistemas biológicos, onde uma grande quantidade de transferência de energia acontece por meio de reações vermelho / boi, é importante entender como essas reações são mediadas e começar a considerar ideias ou hipóteses de por que essas reações são mediadas em muitos casos por uma pequena família de portadores de elétrons.

Nota: possível discussão

O problema aludido na questão para discussão anterior é um ótimo lugar para começar a apresentar a rubrica de desafio de design. Se você se lembra, a primeira etapa da rubrica pede que você defina um problema ou pergunta. Nesse caso, vamos imaginar que haja um problema de definição para o qual os portadores de elétrons móveis abaixo ajudaram a Natureza a resolver.

*** Lembre-se, a evolução NÃO projeta soluções para os problemas, mas, em retrospecto, podemos usar nossa imaginação e lógica para inferir que o que vemos preservado pela seleção natural forneceu uma vantagem seletiva, porque a inovação natural "resolveu" um problema aquele sucesso limitado. ***

Desafio de design para carregadores vermelho / boi

  • Qual foi o problema (s) que a evolução dos portadores de elétron / vermelho / boi móveis ajudou a resolver?
  • A próxima etapa do desafio de design pede que você identifique os critérios para soluções bem-sucedidas. Quais são os critérios para o sucesso no problema que você identificou?
  • A etapa 3 do desafio de design pede que você identifique as soluções possíveis. Bem, aqui a natureza identificou alguns para nós - consideramos três na leitura abaixo. Parece que a natureza está feliz por ter várias soluções para o problema.
  • A penúltima etapa da rubrica de desafio de design pede que você avalie as soluções propostas em relação aos critérios de sucesso. Isso deve fazer você pensar / discutir sobre por que existem vários portadores de elétrons diferentes. Existem critérios diferentes para o sucesso? Cada um deles está resolvendo problemas ligeiramente diferentes? O que você acha? Fique atento enquanto examinamos o metabolismo em busca de pistas.

NAD + / H e FADH / H2

Em sistemas vivos, uma pequena classe de compostos funciona como lançadores de elétrons: eles se ligam e carregam elétrons entre compostos em diferentes vias metabólicas. Os principais transportadores de elétrons que consideraremos são derivados do grupo da vitamina B e são derivados de nucleotídeos. Esses compostos podem ser reduzidos (isto é, eles aceitam elétrons) ou oxidados (eles perdem elétrons) dependendo do potencial de redução de um potencial doador ou aceptor de elétrons para o qual eles podem transferir elétrons de e para. Dinucleotídeo de adenina nicotinamida (NAD+) (a estrutura é mostrada abaixo) é derivada da vitamina B3, niacina. NAD+ é a forma oxidada da molécula; O NADH é a forma reduzida da molécula depois de aceitar dois elétrons e um próton (que juntos são o equivalente a um átomo de hidrogênio com um elétron extra).

Esperamos que você memorize as duas formas de NAD+/ NADH, saber qual forma é oxidada e qual é reduzida, e ser capaz de reconhecer qualquer forma no local no contexto de uma reação química.

NAD+ pode aceitar elétrons de uma molécula orgânica de acordo com a equação geral:

Aqui está uma revisão de vocabulário: quando os elétrons são adicionados a um composto, diz-se que o composto foi reduzido. Um composto que reduz (doa elétrons para) outro é chamado de agente redutor. Na equação acima, RH é um agente redutor e NAD+ é reduzido a NADH. Quando os elétrons são removidos de um composto, ele se oxida. Um composto que oxida outro é chamado de agente oxidante. Na equação acima, NAD+ é um agente oxidante, e o RH é oxidado a R. Dito de outra forma, o agente redutor é oxidado e o agente oxidante é reduzido.

Você precisa abaixar isso! Iremos (a) testar especificamente sua capacidade de fazê-lo (como perguntas "fáceis") e (b) usar os termos com a expectativa de que você saiba o que eles significam e possa relacioná-los a reações bioquímicas corretamente (em aula e em testes).

Você também encontrará uma segunda variação de NAD+, NADP+. É estruturalmente muito semelhante ao NAD+, mas contém um grupo fosfato extra e desempenha um papel importante nas reações anabólicas, como a fotossíntese. Outro transportador de elétrons baseado em nucleotídeo que você também encontrará neste curso e além, dinucleotídeo de flavina adenina (FAD+), é derivado da vitamina B2, também chamada de riboflavina. Sua forma reduzida é FADH2. Aprenda a reconhecer essas moléculas também como transportadoras de elétrons.

Figura 1. A forma oxidada do portador de elétrons (NAD+) é mostrado à esquerda e a forma reduzida (NADH) é mostrada à direita. A base nitrogenada no NADH tem um íon de hidrogênio a mais e dois elétrons a mais do que no NAD+.

NAD+ é usado pela célula para "puxar" elétrons de compostos e "carregá-los" para outros locais dentro da célula; portanto, é chamado de portador de elétrons. NAD+Os compostos / H são usados ​​em muitos dos processos metabólicos que discutiremos nesta aula. Por exemplo, em sua forma oxidada, NAD+ é usado como reagente na glicólise e no ciclo do TCA, enquanto na sua forma reduzida (NADH), é um reagente nas reações de fermentação e na cadeia de transporte de elétrons (ETC). Cada um desses processos será discutido em módulos posteriores.

História de energia para uma reação vermelho / boi

*** Como regra geral, quando vemos NAD + / H como um reagente ou produto, sabemos que estamos olhando para uma reação vermelho / boi. ***

Quando o NADH é um produto e o NAD+ é um reagente, sabemos que NAD+ tornou-se reduzido (formando NADH); portanto, o outro reagente deve ter sido o doador de elétrons e tornar-se oxidado. O contrário também é verdade. Se NADH se tornou NAD+, então o outro reagente deve ter ganho o elétron do NADH e se tornar reduzido.

Figura 2. Esta reação mostra a conversão de piruvato em ácido láctico juntamente com a conversão de NADH em NAD+. Fonte: https://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Enzyme/sequential_reactions

Na figura acima, vemos o piruvato se transformando em ácido lático, juntamente com a conversão de NADH em NAD+. Esta reação é catalisada por LDH. Usando nossa "regra prática" acima, categorizamos essa reação como uma reação vermelho / boi. NADH é a forma reduzida do portador de elétrons, e NADH é convertido em NAD+. Essa metade da reação resulta na oxidação do portador de elétrons. O piruvato é convertido em ácido láctico nesta reação. Ambos os açúcares têm carga negativa, então seria difícil ver qual composto é mais reduzido usando as cargas dos compostos. No entanto, sabemos que o piruvato foi reduzido para formar ácido láctico, porque essa conversão é acoplada à oxidação de NADH em NAD+. Mas como podemos dizer que o ácido láctico é mais reduzido do que o piruvato? A resposta é examinar as ligações carbono-hidrogênio em ambos os compostos. Conforme os elétrons são transferidos, eles geralmente são acompanhados por um átomo de hidrogênio. Há um total de três ligações C-H no piruvato e há um total de quatro ligações C-H no ácido lático. Quando comparamos esses dois compostos nos estados antes e depois, vemos que o ácido láctico tem mais uma ligação C-H; portanto, o ácido láctico é mais reduzido do que o piruvato. Isso é verdadeiro para vários compostos. Por exemplo, na figura abaixo, você deve ser capaz de classificar os compostos do mais para o menos reduzido usando as ligações C-H como guia.

Figura 3. Acima está uma série de compostos que podem ser classificados ou reorganizados do máximo para o mínimo reduzido. Compare o número de ligações C-H em cada composto. O dióxido de carbono não tem ligações C-H e é a forma mais oxidada de carbono que discutiremos nesta aula. Resposta: o mais reduzido é o metano (composto 3), depois o metanol (4), o formaldeído (1), o ácido carboxílico (2) e, finalmente, o dióxido de carbono (5).

Figura 4. Esta reação mostra a conversão de G3P, NAD+, e Peu em NADH e 1,3-BPG. Esta reação é catalisada pela gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase.

História de energia para a reação catalisada por gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase:

Vamos fazer uma história de energia para a reação acima.

Primeiro, vamos caracterizar os reagentes e produtos. Os reagentes são gliceraldeído-3-fosfato (um composto de carbono), Peu (fosfato inorgânico) e NAD+. Esses três reagentes entram em uma reação química para produzir dois produtos, NADH e 1,3-bisfosfoglicerato. Se você olhar de perto, verá que o 1,3-BPG contém dois fosfatos. Isso é importante quando estamos verificando se nenhuma massa foi perdida. Existem dois fosfatos nos reagentes, então deve haver dois fosfatos nos produtos (conservação de massa!). Você pode verificar se todos os outros átomos também foram contabilizados. A enzima que catalisa essa reação é chamada gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase. A variação de energia livre padrão dessa reação é de ~ 6,3 kJ / mol, então, em condições padrão, podemos dizer que a energia livre dos produtos é maior do que a dos reagentes e que essa reação não é espontânea em condições padrão.

O que podemos dizer sobre essa reação quando ela é catalisada pela gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase?

Esta é uma reação vermelho / boi. Sabemos disso porque produzimos um portador de elétrons reduzido (NADH) como produto e o NAD+ é um reagente. De onde veio o elétron para fazer o NADH? O elétron deve ter vindo do outro reagente (o composto de carbono).

Nota: discussão recomendada

Passaremos algum tempo examinando a reação catalisada pela gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase com mais detalhes à medida que avançarmos nas palestras e no texto. A primeira coisa a discutir aqui é que a figura acima é uma versão altamente simplificada ou condensada das etapas que ocorrem - pode-se de fato quebrar essa reação acima em DUAS reações conceituais. Você pode imaginar o que essas duas "sub-reações" podem ser? Discuta entre vocês.

Nota: discussão recomendada

O texto acima observa que a mudança padrão na energia livre para essa reação complexa é de ~ + 6,3 kJ / mol. Sob condições padrão, esta reação NÃO é espontânea. No entanto, esta é uma das principais reações na oxidação da glicose. Precisa IR na cela. As perguntas são as seguintes: por que é importante observar coisas como "mudança padrão de energia livre" ou "sob condições padrão" ao relatar esse ΔG °? O que poderia estar acontecendo na célula para fazer do que é, sob condições padrão, uma reação endergônica "ir"?

ATP

Um composto químico importante é o trifosfato de adenosina (ATP) O principal papel celular do ATP é como um dispositivo de transferência de energia de "curto prazo" para a célula. As reações de hidrólise que liberam um ou mais fosfatos do ATP são exergônicas e muitas, muitas proteínas celulares evoluíram para interagir com o ATP de maneiras que ajudam a facilitar a transferência de energia da hidrólise para uma miríade de outras funções celulares. Desta forma, o ATP é freqüentemente chamado de “moeda de energia” da célula: ele tem valores razoavelmente fixos de energia para transferir para ou de si mesmo e pode trocar essa energia entre muitos doadores e aceitadores em potencial. Veremos muitos exemplos de ATP "em ação" na célula, portanto, procure-os. Conforme você os vê, tente pensar neles como exemplos funcionais dos usos da Natureza para o ATP que você poderia ver em outra reação ou contexto.

Estrutura e função de ATP

No coração do ATP está o nucleotídeo chamado monofosfato de adenosina (AMP). Como os outros nucleotídeos, o AMP é composto de uma base nitrogenada (uma molécula de adenina) ligada a uma molécula de ribose e a um único grupo fosfato. A adição de um segundo grupo fosfato a esta molécula central resulta na formação de difosfato de adenosina (ADP); a adição de um terceiro grupo fosfato forma trifosfato de adenosina (ATP).


Figura 1. O ATP (trifosfato de adenosina) possui três grupos fosfato que podem ser removidos por hidrólise para formar ADP (difosfato de adenosina) ou AMP (monofosfato de adenosina).

o fosforilação (ou condensação de grupos fosfato em AMP) é um processo endergônico. Em contraste, a hidrólise de um ou dois grupos fosfato do ATP, um processo denominado desfosforilação, é exergônico. Porque? Lembremos que os termos endergônico e exergônico referem-se ao sinal da diferença de energia livre de uma reação entre os produtos e reagentes, ΔG. Neste caso, estamos atribuindo explicitamente a direção da reação, seja na direção da fosforilação ou desfosforilação do nucleotídeo. Na reação de fosforilação, os reagentes são o nucleotídeo e um fosfato inorgânico, enquanto os produtos são um nucleotídeo fosforilado e a ÁGUA. Na reação de desfosforilação / hidrólise, os reagentes são o nucleotídeo fosforilado e a ÁGUA, enquanto os produtos são fosfato inorgânico e o nucleotídeo menos um fosfato.

Como a energia livre de Gibbs é uma função de estado, não importa como a reação acontece; você apenas considera os estados inicial e final. Como exemplo, vamos examinar a hidrólise do ATP. Os reagentes ATP e água são caracterizados por sua composição atômica e pelos tipos de ligações entre os átomos constituintes. Alguma energia livre pode ser associada a cada uma das ligações e suas configurações possíveis - da mesma forma para os produtos. Se examinarmos a reação do ponto de vista dos produtos e reagentes e perguntarmos "como podemos recombinar átomos e ligações nos reagentes para obter os produtos?", Descobrimos que uma ligação fosfoanidrido entre um oxigênio e um fósforo deve ser quebrada no ATP, uma ligação entre um oxigênio e hidrogênio deve ser quebrada na água, uma ligação deve ser feita entre o OH (que veio da divisão da água) e o fósforo (do PO3-2 liberado), e uma ligação deve ser formado entre o H (derivado da divisão da água) e o oxigênio terminal no nucleotídeo fosforilado. É a soma das energias associadas a todos esses rearranjos de ligação (incluindo aqueles diretamente associados à água) que torna essa reação exergônica. Uma análise semelhante poderia ser feita com a reação reversa.

Possível Exercício

Use a figura do ATP acima e seu conhecimento da aparência de uma molécula de água para desenhar uma figura das etapas de reação descritas acima: quebra da ligação fosfoanidrido, quebra da água e formação de novas ligações para formar ADP e fosfato inorgânico. Rastreie os átomos em cores diferentes, se isso ajudar.

Existe algo especial sobre as ligações específicas envolvidas nessas moléculas? Muito se fala em vários textos sobre os tipos de ligações entre os fosfatos do ATP. Certamente, as propriedades das ligações no ATP ajudam a definir a energia livre e a reatividade da molécula. No entanto, embora seja apropriado aplicar conceitos como densidade de carga e disponibilidade de estruturas de ressonância a esta discussão, apresentar esses termos como uma "explicação" sem um entendimento completo de como esses fatores influenciam a energia livre dos reagentes é um tipo especial de acenos de mão que não devemos fazer. A maioria dos alunos BIS2A não teve nenhuma faculdade de química e aqueles que têm provavelmente não discutiram esses termos de forma significativa. Assim, explicar o processo usando as idéias acima só dá uma falsa sensação de compreensão, atribui alguma qualidade mística ao ATP e seus laços "especiais" que não existem e distrai do ponto real: a reação de hidrólise é exergônica por causa do propriedades do ATP e TAMBÉM por causa das propriedades químicas da água e dos produtos de reação. Para esta aula, é suficiente saber que físicos químicos dedicados ainda estão estudando o processo de hidrólise de ATP em solução e no contexto de proteínas e que ainda estão tentando explicar os principais componentes entálpicos e entrópicos das energias livres dos componentes. Precisamos apenas aceitar um certo grau de ignorância química mecanicista e nos contentar com uma descrição das propriedades termodinâmicas grosseiras. Este último é perfeitamente suficiente para ter discussões profundas sobre a biologia relevante.

Títulos de "alta energia"

E quanto ao termo "ligações de alta energia" que tantas vezes ouvimos associado ao ATP? Se não há nada de "especial" nas ligações do ATP, por que sempre ouvimos o termo "ligações de alta energia" associado à molécula? A resposta é aparentemente simples. Em biologia, o termo "ligação de alta energia" é usado para descrever uma reação exergônica envolvendo a hidrólise da ligação em questão que resulta em uma "grande" mudança negativa na energia livre. Lembre-se de que essa mudança na energia livre não tem a ver apenas com o vínculo em questão, mas também com a soma de todos os rearranjos de vínculo na reação. O que constitui uma grande mudança? É uma atribuição bastante arbitrária, geralmente associada a uma quantidade de energia associada aos tipos de reações anabólicas que normalmente observamos na biologia. Se há algo especial sobre as ligações no ATP, ele não está exclusivamente ligado à energia livre da hidrólise, pois existem muitas outras ligações cuja hidrólise resulta em maiores diferenças negativas na energia livre.


Figura 2. A energia livre da hidrólise de diferentes tipos de ligações pode ser comparada à da hidrólise do ATP. Fonte: http://bio.libretexts.org/Core/Biochemistry/Oxidation_and_Phosphorylation/ATP_and_Oxidative_Phosphorylation/Properties_of_ATP


Tabela 1. Tabela de moléculas fosforiladas celulares comuns e suas respectivas energias livres de hidrólise.

O ciclo das piscinas ATP

As estimativas para o número de moléculas de ATP em uma célula humana típica variam de ~ 3x107 (~ 5x10-17 moles ATP / célula) em um glóbulo branco para 5x109 (~ 9x10-15 moles ATP / célula) em uma célula cancerosa ativa. Embora esses números possam parecer grandes e já surpreendentes, considere que é estimado que esse pool de ATP gira (torna-se ADP e depois volta para ATP) 1,5 x por minuto. Estender essa análise produz a estimativa de que esse volume de negócios diário equivale a aproximadamente o equivalente a um peso corporal de ATP sendo girado por dia. Ou seja, se nenhum turnover / reciclagem de ATP acontecesse, seria necessário um peso corporal equivalente a ATP para o corpo humano funcionar, daí nossa caracterização anterior do ATP como um dispositivo de transferência de energia de "curto prazo" para a célula.

Embora o pool de ATP / ADP possa ser reciclado, parte da energia transferida nas muitas conversões entre ATP, ADP e outras biomoléculas também é transferida para o meio ambiente. Para manter os reservatórios de energia celular, a energia também deve ser transferida do meio ambiente. De onde vem essa energia? A resposta depende muito de onde a energia está disponível e de quais mecanismos a natureza desenvolveu para transferir energia do ambiente para transportadores moleculares como o ATP. Em quase todos os casos, entretanto, o mecanismo de transferência evoluiu para incluir alguma forma de química redox.

Nesta e nas seções que se seguem, estamos preocupados em aprender alguns exemplos críticos de transferência de energia do meio ambiente, os principais tipos de reações químicas e biológicas envolvidas neste processo e as principais reações biológicas e componentes celulares associados ao fluxo de energia entre as diferentes partes do planeta. sistema vivo. Focamos primeiro nas reações envolvidas na (re) geração de ATP na célula (não aquelas envolvidas na criação do nucleotídeo em si, mas sim aquelas associadas à transferência de fosfatos para AMP e ADP).

Link de vídeo

Para outra perspectiva - incluindo lugares onde você verá ATP em Bis2a, dê uma olhada neste vídeo (10 minutos) clicando aqui.

Como as células geram ATP?

Vários mecanismos surgiram ao longo dos 3,25 bilhões de anos de evolução para criar ATP a partir de ADP e AMP. A maioria desses mecanismos são modificações em dois temas: síntese direta de ATP ou síntese indireta de ATP com dois mecanismos básicos conhecidos respectivamente como sfosforilação em nível de substrato (SLP) e fosforilação oxidativa. Ambos os mecanismos dependem de reações bioquímicas que transferem energia de alguma fonte de energia para ADP ou AMP para sintetizar ATP. Esses tópicos são substantivos, portanto, serão discutidos em detalhes nos próximos módulos.

Glicólise: uma visão geral

Organismos, sejam unicelulares ou multicelulares, precisam encontrar maneiras de obter pelo menos duas coisas-chave de seu ambiente: (1) matéria ou matéria-prima para manter uma célula e construir novas células e (2) energia para ajudar no trabalho de permanecer vivo e se reproduzindo. A energia e as matérias-primas podem vir de lugares diferentes. Por exemplo, os organismos que coletam principalmente energia da luz solar obterão matérias-primas para a construção de biomoléculas de fontes como o CO2. Por contrato, alguns organismos dependem de reações vermelho / boi com pequenas moléculas e / ou metais reduzidos para obter energia e obtêm suas matérias-primas para a construção de biomoléculas de compostos não conectados à fonte de energia. Enquanto isso, alguns organismos (incluindo nós) evoluíram para obter energia E as matérias-primas para a construção e manutenção celular de fontes às vezes associadas.

Glicólise é a primeira via metabólica discutido em BIS2A; uma via metabólica é uma série de reações bioquímicas interligadas. Por causa de sua onipresença na biologia, é hipotetizado que a glicólise foi provavelmente uma das primeiras vias metabólicas a evoluir (mais sobre isso posteriormente). A glicólise é uma via metabólica de dez etapas que está centrada no processamento da glicose para extração de energia do combustível químico e para o processamento dos carbonos da glicose em várias outras biomoléculas (algumas das quais são precursores-chave de muitas biomoléculas muito mais complicadas) . Nosso estudo da glicólise será, portanto, examinado usando os preceitos descritos na rubrica do desafio de energia que nos pede para considerar formalmente o que acontece com AMBOS a matéria e a energia neste processo de várias etapas.

A história da energia e o desafio do design da glicólise

Nossa investigação da glicólise é uma boa oportunidade para examinar um processo biológico usando tanto a história da energia quanto as rubricas e perspectivas do desafio do projeto.

A avaliação do desafio de design tentará fazer com que você pense ativamente, de forma ampla e específica, sobre por que estamos estudando esse caminho - o que há de tão importante nisso? Que "problemas" a evolução de uma via glicolítica permite que a vida resolva ou supere? Também queremos pensar em maneiras alternativas de resolver os mesmos problemas e por que eles podem ou não ter evoluído. Posteriormente, examinaremos uma hipótese de como essa via - e outras vias interligadas - pode ter realmente evoluído, e pensar em estratégias alternativas para satisfazer várias restrições será útil então.

No contexto da história da energia, pediremos que você pense sobre a glicólise como um processo a partir do qual algo pode ser aprendido, analisando o que acontece tanto com a matéria quanto com a energia. Ou seja, embora seja um caminho bioquímico de dez etapas, propomos que alguns insights podem ser aprendidos examinando cuidadosamente o processo como um conjunto de entradas e saídas de matéria e energia, um processo com um começo e um fim.

Então, o que é glicólise? Vamos começar a descobrir.

Figura 1. As dez reações bioquímicas da glicólise são mostradas. As enzimas são marcadas em azul. A estrutura de cada composto derivado de açúcar é representada como um modelo molecular; outros reagentes e produtos podem ser abreviados (por exemplo, ATP, NAD +, etc.). A caixa ao redor da reação catalisada pela gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase indica que essa reação é de especial interesse no curso. Atribuição: Marc T. Facciotti (trabalho original)

Tabela 1. Esta tabela mostra e glicolíticoenzimas e medições da energia no estado padrão (ΔG ° '/ (kJ / mol)) em comparação com medições feitas a partir de uma célula viva (ΔG / (kJ / mol)). Sob condições de temperatura e pressão constantes, (ΔG ° '/ (kJ / mol)), ocorrerão reações na direção que leva a uma diminuição no valor da energia livre de Gibbs. As medições celulares de ΔG podem ser dramaticamente diferentes das medições de ΔG ° 'devido às condições celulares, como concentrações de metabólitos relevantes, etc. Existem três grandes quedas de ΔG negativas na célula no processo de glicólise. Essas reações são consideradas irreversíveis e muitas vezes estão sujeitas a regulamentação.

EnzimaEtapaΔG / (kJ / mol)ΔG ° '/ (kJ / mol)
Hexokinase1-34-16.7
Fosfoglucose isomerase2-2.91.67
Fosfofrutocinase3-19-14.2
Frutose-bisfosfato aldolase4-0.2323.9
Triose fosfato isomerase52.47.56
Gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase6-1.296.30
Fosfoglicerato quinase70.09-18.9
Fosfoglicerato mutase80.834.4
Enolase91.11.8
Piruvato quinase10-23.0-31.7

No geral, a via glicolítica consiste em 10 etapas catalisadas por enzimas. A principal contribuição para essa via é uma única molécula de glicose, embora possamos descobrir que as moléculas podem se alimentar e sair dessa via em várias etapas. Focaremos nossa atenção em (1) consequências do processo geral, (2) várias reações-chave que destacam tipos importantes de bioquímica e princípios bioquímicos que desejaremos levar para outros contextos e (3) destinos alternativos dos intermediários e produtos dessa via.

Observe para referência que a glicólise é um anaeróbico processo; não há necessidade de oxigênio molecular na glicólise (o gás oxigênio não é um reagente em nenhuma das reações químicas da glicólise). A glicólise ocorre no citosol ou citoplasma de células. Para um breve vídeo de visão geral (três minutos) do YouTube sobre glicólise, clique aqui.

Primeira metade da glicólise: fase de investimento em energia

As primeiras etapas da glicólise são normalmente chamadas de "fase de investimento de energia" da via. Isso, no entanto, não faz muito sentido intuitivo (na estrutura de um desafio de design; não está claro qual problema este investimento em energia resolve) se apenas olharmos para a glicólise como uma via de "produção de energia" e até essas etapas da glicólise são colocados em um contexto metabólico mais amplo. Tentaremos construir essa história à medida que avançamos, portanto, por enquanto, lembre-se de que mencionamos que alguns dos primeiros passos são frequentemente associados a investimentos em energia e ideias como "aprisionamento" e "compromisso", que são observados na figura abaixo.

Etapa 1 da glicólise:

A primeira etapa da glicólise, mostrada abaixo na Figura 2, é a glicose sendo catalisada pela hexoquinase, uma enzima com ampla especificidade que catalisa a fosforilação de açúcares de seis carbonos. A hexoquinase catalisa a fosforilação da glicose, onde a glicose e o ATP são substratos para a reação, produzindo uma molécula chamada glicose 6-fosfato e ADP como produtos.

Figura 2. A primeira metade da glicólise é chamada de fase de investimento de energia. Nesta fase, a célula gasta dois ATPs nas reações. Facciotti (obra original)

Discussão sugerida

O parágrafo acima afirma que a enzima hexoquinase tem "ampla especificidade". Isso significa que ele pode catalisar reações com diferentes açúcares, não apenas a glicose. De uma perspectiva molecular, você pode explicar por que isso pode ser verdade? Isso desafia sua concepção de especificidade enzimática? Se você pesquisar no Google o termo "promiscuidade enzimática" (não se preocupe; é seguro para o trabalho), isso lhe dará uma avaliação mais ampla da seletividade e atividade enzimática?

A conversão de glicose em glicose 6-fosfato carregada negativamente reduz significativamente a probabilidade de que a glicose fosforilada deixe a célula por difusão através do interior hidrofóbico da membrana plasmática. Ele também "marca" a glicose de uma forma que a marca efetivamente para vários destinos diferentes possíveis (veja a Figura 3).

Figura 3. Observe que esta figura indica que a glicose 6-fosfato pode, dependendo das condições celulares, ser direcionada a destinos múltiplos. Embora seja um componente da via glicolítica, não está apenas envolvido na glicólise, mas também no armazenamento de energia como glicogênio (colorido em ciano) e na construção de várias outras moléculas como nucleotídeos (coloridos em vermelho). Fonte: Marc T. Facciotti (obra original)

Como indica a Figura 3, a glicólise é apenas um destino possível para a glicose 6-fosfato (G6P). Dependendo das condições celulares, G6P pode ser desviado para a biossíntese de glicogênio (uma forma de armazenamento de energia), ou pode ser desviado para a via da pentose fosfato para a biossíntese de várias biomoléculas, incluindo nucleotídeos. Isso significa que o G6P, embora envolvido na via glicolítica, não é apenas marcado para oxidação nesta fase. Talvez mostrar o contexto mais amplo em que esta molécula está envolvida (além da justificativa de que marcar a glicose com um fosfato diminui a probabilidade de que ela saia da célula) ajude a explicar o aparentemente contraditório (se você considerar apenas a glicólise como uma "energia- produzir "processo) razão para transferir energia do ATP para a glicose se ela for oxidada mais tarde - isto é, a glicose não é usada apenas pela célula para coletar energia e várias outras vias metabólicas dependem da transferência do grupo fosfato.

Etapa 2 da glicólise:

Na segunda etapa da glicólise, um isomerase catalisa a conversão de glicose 6-fosfato em um de seus isômeros, frutose 6-fosfato. Um isomerase é uma enzima que catalisa a conversão de uma molécula em um de seus isômeros.

Etapa 3 da glicólise:

A terceira etapa da glicólise é a fosforilação da frutose 6-fosfato, catalisada pela enzima fosfofrutocinase. Uma segunda molécula de ATP doa um fosfato para a frutose 6-fosfato, produzindo frutose 1,6-bisfosfato e ADP como produtos. Nessa via, a fosfofrutocinase é uma enzima limitadora da taxa e sua atividade é rigidamente regulada. Isto é alostericamente ativado pelo AMP quando a concentração de AMP é alta e quando é moderadamente inibido alostericamente pelo ATP no mesmo local. Citrato, um composto que discutiremos em breve, também atua como um fator negativo alostérico regulador desta enzima. Desta forma, a fosfofrutocinase monitora ou detecta indicadores moleculares do estado de energia das células e pode, em resposta, atuar como um interruptor que liga ou desliga o fluxo do substrato através do resto da via metabólica, dependendo se há "suficiente" ATP no sistema. A conversão de frutose 6-fosfato em frutose 1,6-bifosfato é algumas vezes referida como uma etapa de compromisso da célula com a oxidação da molécula no resto da via glicolítica, criando um substrato e ajudando a impulsionar energeticamente o próximo etapa altamente endergônica (sob condições padrão) da via.

Discussão sugerida

Discutimos a regulação alostérica de uma enzima em módulos anteriores, mas o fizemos em um contexto em que a enzima estava "sozinha". Agora, vamos considerar a enzima no contexto de uma ou mais vias metabólicas estendidas. Você pode agora expressar por que a regulação alostérica é funcionalmente importante e como pode ser usada para regular o fluxo de compostos através de uma via? Tente se expressar.

Etapa 4 de glicolise:

Na quarta etapa da glicólise, uma enzima, frutose-bisfosfato aldolase, cliva 1,6-bifosfato em dois isômeros de três carbonos: fosfato de dihidroxiacetona e gliceraldeído 3-fosfato.

Segunda metade: fase de compensação de energia

Se vista na ausência de outras vias metabólicas, a glicólise custou à célula duas moléculas de ATP e produziu duas pequenas moléculas de açúcar de três carbonos: fosfato de diidroxiacetona (DAP) e gliceraldeído 3-fosfato (G3P). Quando visto em um contexto mais amplo, esse investimento de energia para produzir uma variedade de moléculas que podem ser usadas em uma variedade de outras vias não parece um investimento tão ruim.

Tanto o DAP quanto o G3P ​​podem prosseguir durante a segunda metade da glicólise. Agora examinamos essas reações.

Figura 4. A segunda metade da glicólise é chamada de fase de compensação de energia. Nessa fase, a célula ganha dois compostos de ATP e dois de NADH. No final desta fase, a glicose tornou-se parcialmente oxidada para formar piruvato. Facciotti (obra original).

Etapa 5 da glicólise:

Na quinta etapa da glicólise, uma isomerase transforma o fosfato de diidroxiacetona em seu isômero, gliceraldeído 3-fosfato. A glicose de seis carbonos, portanto, foi agora convertida em duas moléculas de três carbonos fosforiladas de G3P.

Etapa 6 da glicólise:

A sexta etapa é a chave e a partir da qual podemos agora alavancar nossa compreensão dos vários tipos de reações químicas que estudamos até agora. Se você está focado na energia, esta é finalmente uma etapa da glicólise em que parte do açúcar reduzido é oxidado. A reação é catalisada pela enzima gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase. Esta enzima catalisa uma reação de várias etapas entre três substratos - gliceraldeído 3-fosfato, o cofator NAD+, e fosfato inorgânico (Peu) —E produz três produtos: 1,3-bisfosfoglicerato, NADH e H+. Pode-se pensar nessa reação como duas reações: (1) uma reação de oxidação / redução e (2) uma reação de condensação na qual um fosfato inorgânico é transferido para uma molécula. Neste caso particular, a reação vermelho / ox, uma transferência de elétrons do G3P ​​para o NAD+, é exergônica e a transferência de fosfato é endergônica. A rede padrão a mudança de energia livre gira em torno de zero - mais sobre isso mais tarde. A enzima aqui atua como uma molécula acoplamento agente para acoplar a energética da reação exergônica à da reação endergônica, levando ambas para a frente. Esse processo ocorre por meio de um mecanismo de várias etapas no sítio ativo da enzima e envolve a atividade química de vários grupos funcionais.

É importante notar que esta reação depende da disponibilidade da forma oxidada do transportador de elétrons, NAD+. Se considerarmos que há um pool limitante de NAD+, podemos então concluir que a forma reduzida do carreador (NADH) deve ser continuamente oxidada de volta em NAD+ a fim de manter esta etapa em andamento. Se NAD+ não estiver disponível, a segunda metade da glicólise diminui ou pára.

Etapa 7 da glicólise:

Na sétima etapa da glicólise, catalisada pela fosfoglicerato quinase (uma enzima chamada para a reação reversa), o 1,3-bisfosfoglicerato transfere um fosfato para o ADP, formando uma molécula de ATP e uma molécula de 3-fosfoglicerato. Esta reação é exergônica e também é um exemplo de fosforilação em nível de substrato.

Possível discussão

Se a transferência de um fosfato de 1,3-BPG para ADP é exergônica, o que isso diz sobre a energia livre de hidrólise do fosfato de 1,3-BPG em comparação com a energia livre de hidrólise do fosfato terminal em ATP ?

Etapa 8 da glicólise:

Na oitava etapa, o grupo fosfato restante no 3-fosfoglicerato se move do terceiro carbono para o segundo carbono, produzindo 2-fosfoglicerato (um isômero de 3-fosfoglicerato). A enzima que catalisa esta etapa é uma mutase (isomerase).

Etapa 9 da glicólise:

Enolase catalisa a nona etapa. Esta enzima faz com que o 2-fosfoglicerato perca água de sua estrutura; esta é uma reação de desidratação, resultando na formação de uma ligação dupla que aumenta a energia potencial na ligação fosfato restante e produz fosfoenolpiruvato (PEP).

Etapa 10 da glicólise:

A última etapa da glicólise é catalisada pela enzima piruvato quinase (a enzima, neste caso, é nomeada devido à reação reversa da conversão do piruvato em PEP) e resulta na produção de uma segunda molécula de ATP por fosforilação em nível de substrato e o composto ácido pirúvico (ou sua forma de sal, piruvato). Muitas enzimas nas vias enzimáticas são nomeadas para as reações reversas, uma vez que a enzima pode catalisar reações diretas e reversas (estas podem ter sido descritas inicialmente pela reação reversa que ocorre in vitro, em condições não fisiológicas).

Resultados da glicólise

Aqui estão algumas coisas a serem consideradas:

Um dos resultados claros da glicólise é a biossíntese de compostos que podem entrar em uma variedade de vias metabólicas. Da mesma forma, compostos provenientes de outras vias metabólicas podem alimentar a glicólise em vários pontos. Portanto, esse caminho pode ser parte de uma troca central de fluxo de carbono dentro da célula.

Se a glicólise for executada por tempo suficiente, a oxidação constante da glicose com NAD+ pode deixar a célula com um problema: como regenerar NAD+ das duas moléculas de NADH produzidas. Se o NAD+ não é regenerado, todo o NAD da célula será quase completamente transformado em NADH. Então, como as células regeneram NAD+?

O piruvato não está completamente oxidado; ainda há alguma energia a ser extraída. Como isso pode acontecer? Além disso, o que a célula deve fazer com todo esse NADH? Existe alguma energia para extrair?

Discussão / exercício fortemente sugerido

Você pode escrever uma história de energia para o processo geral da glicólise? Para termos de energia, apenas se preocupe em descrever as coisas em termos de serem exergônicas ou endergônicas. Quando digo "processo geral", quero dizer processo geral: a glicose deve ser listada no lado do reagente da seta, e o piruvato deve ser listado no lado do produto da seta.

Fosforilação em nível de substrato (SLP)

A rota mais simples para sintetizar ATP é a fosforilação em nível de substrato. As moléculas de ATP são geradas (isto é, regeneradas a partir do ADP) como resultado direto de uma reação química que ocorre nas vias catabólicas. Um grupo fosfato é removido de um reagente intermediário na via e a energia livre da reação é usada para adicionar o terceiro fosfato a uma molécula de ADP disponível, produzindo ATP. Este método direto de fosforilação é chamado fosforilação em nível de substrato. Ele pode ser encontrado em uma variedade de reações catabólicas, mais notavelmente em duas reações específicas na glicólise (que discutiremos especificamente mais tarde). Basta dizer que o que é necessário é um intermediário de alta energia cuja oxidação seja suficiente para conduzir a síntese de ATP.

Figura 5. Aqui está um exemplo de fosforilação em nível de substrato que ocorre na glicólise. Há uma transferência direta de um grupo fosfato do composto de carbono para o ADP para formar o ATP. Facciotti (trabalho próprio)

Nesta reação, os reagentes são um composto de carbono fosforilado denominado G3P ​​(da etapa 6 da glicólise) e uma molécula de ADP, e os produtos são 1,3-BPG e ATP. A transferência do fosfato de G3P para ADP para formar ATP no sítio ativo da enzima é fosforilação em nível de substrato. Isso ocorre duas vezes na glicólise e uma vez no ciclo do TCA (para uma leitura subsequente).


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