quinta-feira, 27 de novembro de 2008

SOFTWARE DE QUÍMICA

Software de Química











::. ChemWindow
ChemWindow é o melhor Programa para Apresentação de Estructuras Químicas 2-D e 3-D.




::. Advanced Chemistry Development ... (inglês)
Fornece um conjunto largo de software normal e de internet para químicos e educadores: NMR, IR, UV, Espectroscopia de Massa, Desenho e Modelagem, Nomeação, Cromatografia, Cálculo de Propriedades Físico-Químicas, bases de dados e previsões compreensivas.



::. BUBL LINK ... (inglês)
Catálogo BUBL LINK de recursos de Internet seleccionados de importância académica, com descrições de recursos: Software de Química.



::. CambridgeSoft ... (inglês)
ChemOffice, ChemDraw, Chem3D, ChemFinder



::. ChemInnovation Software ... (inglês)
IUPAC, Molecular Modeling.



::. Chemist ... (inglês)
Chemist é um programa para o cálculo do Equlíbrio Químico.



::. Chemistry Software ... (inglês)
Cristalografia, Densidade Funcional, Edição Electrónica, e Modelagem Molecular, Dinâmica Molecular, Nomenclatura, Processamento e Previsão NMR, Visualização Molecular e CIentífica, Planeamento de Síntese Orgânica, QSAR, Programas Semiempíricos.



::. Chemistry Software ... (inglês)
Referências de Software de Química.



::. CHEMIX School and Lab ... (inglês)
A CHEMIX School está equipada com uma tabela periódica, dicionário, função fit/plot e calculadoras avançadas para moléculas, termoquímica, electroquímica, acid/base fraco, solubilidade, espectroscopia (IR,NMR,MS) e estequeometria.



::. ChemSW - Chemistry software for Windows ... (inglês)
Bases de Dados de Química, Cromatografia, Aquisição de Dados, Química do Ambiente, Química Geral, Espectrometria de Massa, Desenho Molecular, Modelagem Molecular, Gráficos de Controle de Qualidade, Espectroscopia, Gestão MSDS, Treino de Laboratório.



::. CompuChem Software Chemie ... (inglês)
Software Científico de Química - Software Educacional de Química - Desenho de Estructuras - Desenho Molecular - Química Computacional.



::. CrystalMaker Software: crystal structure visualization ... (inglês)
CrystalMaker: visualização foto-realista em tempo-real de estructuras de cristais moleculares. CrystalDiffract: software de difracção de raios X.



::. Falcon Software ... (inglês)
Software Educacional - Curso de Educação em CD-ROM, laserdisk, videodisk, disk - Estudo Académico.



::. High School Chemistry Software and Teaching Resources ... (inglês)
Único software para o Ensino Interactivo de Química para a casa e escola. Livre para carregar e testar. Tem ainda muitos outros recursos para o Ensino da Química.



::. Instructional Resources for Chemistry ... (inglês)
ChemCAI - multimédia. química, química geral.



::. Linux and Chemistry ... (inglês)
Links para Software de Química no Linux



::. MacroModel ... (inglês)
O pacote de programas MacroModel da Schrödinger, Inc. permite a construção gráfica de estructuras complexas de química e a aplicação de mecânicas moleculares e técnicas dinâmicas no vacuo ou em solução.



::. Mathtrek Systems ... (inglês)
EQS4WIN: software de Equilíbrio Químico para Win3.1/NT/Win95 pela Mathtrek Systems, resolve uma grande quantidade de problemas de Equilíbrio Químico usando os algoritmos de minimização de energia livre de Smith-Missen.



::. Newbyte Educational Sofwtare ... (inglês)
Uma selecção de software de Química feita pela Newbyte Educational Sofwtare.



::. Open Directory - Science ... (inglês)
Química: Software



::. Organic chemistry, analytical chemistry, general chemistry software ... (inglês)
Software de química, bioquímica e gestão de laboratório.



::. Q-Chem ... (inglês)
Produtor e Fornecedor de Software de Química Quântica.



::. Rolf Claessen's Chemistry Index ... (inglês)
Soluções Integradas, Modelagem, Espectroscopia, Aplicações WWW, Educação, Cromatografia, Matemática, Desenho de Estructuras, Visualização, Cristalografia, Bases de Dados, Previsão de Propriedade e Actividade, Outro Software de Química.



::. software for organic chemistry ... (inglês)
Um URL de software freeware de química orgânica bastante vasto e rico, que merece ser explorado e usado por professores e alunos.



::. Virtual Chemistry Lab by Model Science Software ... (inglês)
Model Science Software desenvolve software de simulação para a educação, incluindo o nosso software de simulação de química laboratorial, conhecido como Model ChemLab, que pode ser usado para ensino à distância através da Internet.



::. Vogel Scientific Software ... (inglês)
CIARA: Informação Química e Assistente de Reacção. CALACO: Cálculos e Conversões para Cientistas. Descrição de Produtos.



::. Yahoo! - Chemistry ... (inglês)
Software Científico de Química.



::. Quiminet ... (espanhol)
Tudo sobre Química na Internet.



Software brasileiro para o cálculo de pH

http://www2.iq.usp.br/docente/gutz/Curtipot.html


DOWNLOAD

http://br.geocities.com/quiprocura1/ Diversos temas e experiências de QUÍMICA.
http://www.chemicool.com/ Tabela periódica.

LINKS DE QUÍMICA

Tabelas Periódicas: Lista de links para páginas portuguesas e brasileiras que apresentam tabelas periódicas.
Tudo Sobre Química: Expõe tópicos de Química orgânica e inorgânica dirigido a alunos do ensino médio.
Sociedade Portuguesa de Química: Serviços de apresentação da sociedade, forma de ingresso, prêmios, revistas e estatutos.
Clube de Físico-Química - Escola Básica e Secundária da Calheta: Página que traz algumas experiências e curiosidades sobre química. Além de informações sobre o plano anula de atividades do clube.
Departamento de Química da Universidade Nova de Lisboa: Informações para visitantes, professores e alunos do Departamento. Notícias e artigos on-line.
Centro de Química da Madeira: Grupo de pesquisa na Universidade da Madeira. Notícias e informações sobre atividades de pesquisa.
QuiProcura - Química: Site de Química que traz textos diversos sobre o assunto. Nele é possível encontrar informações históricas e aplicações dos elementos químicos, aplicações da energia nuclear, entre outros assuntos. É também possível encontrar textos sobre máterias específicas, tais como: isomeria, ligação química, definições ácido-base e eletroquímica.
O mocho: Site destinado a Química. Ele é estruturado em diversas seções, separadas por conteúdo químicos, nas quais é possível encontrar descrições e endereços para sites de Química, em português e inglês. Além de separar os sites mais interessantes e visitados.
Quimicamente Delicioso: O QD é um projeto de Escolas de Lamacaes para o ensino de Química para o ensino fundamental. O site mostra como introduzir a Química a partir de experiências simples, que podem ser realizadas com material doméstico. Site bem simples.
Ponto Triplo: Blog com links para diversos sites de Química. Neste endereço é possível encontrar desde links para IUPAC até para simuladores de alguns fenômenos químicos.
Departamento de Química/UFMG: Página com informações sobre o curso de graduação e pós graduação em Química da Universidade Federal de Minas Gerais. Traz informações sobre os professores, sobre os laboratórios e como ingressar no curso de pós graduação em Química.
Tecnologia em Química Industrial: Página do curso "Tecnologia em Química Industria do CEFET-GO", traz informações sobre o curso, sobre o grupo de professores e as publicações deste grupo.
QuipTabela 4.01: Página do software QuipTabela. Descreve o software, uma tabela periódica com dezenas de informações sobre os elementos químicos e com seções interativas. Além de possuir links para aplicações e fatos históricos dos elementos químicos. E download do software.
Quimica e Tabela Periodica Interativas: Tabela periódica interativa dos elementos. Calor específico, calor latente de fusão, calor latente de vaporização, conductividade térmica e calculo de massas moleculares.
Grupo de Química Teórica: Grupo do Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Membros do grupo, publicações e recursos.
News em Modelagem Molecular e Ciência em Geral: Site que descreve o que faz a Modelagem Molecular, fornece informações pessoais sobre temas da Química, Astrologia, Física, Quântica, Lívros e Filmes.
Sociedade Brasileira de Catalise (SBCat): Informações sobre a SBCat e seus congressos bi-anuais. Ponto de encontro de estudantes e pesquisadores que trabalham em temas relacionados à preparação, caracterização e uso de catalisadores.

LINKS DE QUÍMICA

http://www.qmc.ufsc.br/ -
Universidade Federal de Santa Catarina
http://www.sbq.org.br/publicacoes/quimicanova/quimicanova.htm -
Química Nova - Publicação do SBQ
http://www.ucs.br/ccet/defq/naeq/material_didatico/textos_interativos_32.htm -
Seleção dos melhores sites de química
http://www.ufpel.tche.br/iqg/wwverde/ -
A Química Verde
http://www.univ-ab.pt/disciplinas/dcet/qg607/ -
Universidade Aberta - Página para apoio de Química Geral para alunos
http://www2.fc.unesp.br/lvq/ - LABORATÓRIO VIRTUAL DE QUÍMICA
http://www2.uerj.br/~iq/ -
Instituto de Química da UERJ
www.ciencias.com.br -
www.quimica.com.br -
Página destinada a compra de produtos químicos, equipamentos em diversas Empresas do Brasil.

LINKS DE QUÍMICA

http://educar.sc.usp.br/experimentoteca/quimica/0_sumario_roteiros_quimica.html -
Ensino em química.
Diversas aulas do Ensino Médio
http://science.nhmccd.edu/biol/bio1int.htm -
Site interessante com animações de química, biologia
http://www.abq.org.br/cbq/ -
Congresso Brasileiro de Química 2007
http://www.che.ufl.edu/WWW-CHE/ -
Biblioteca virtual da Engenharia Química
http://www.chemicool.com/ - tabela periodica
http://www.ciencias.com.br - Página bem variada com diversos assuntos de ciências.
http://www.dicas-l.com.br/dicas-l/educacao.php -
Software Livre de Interesse Educacional
http://www.eq.ufrj.br/ -
Escola de Química da UFRJ
http://www.exaeq.org.br/rubrique.php3?id_rubrique=16 -
Associação de ex-alunos da Escola de Química da UFRJ
http://www.ficharionline.com/2006/ExibeConteudo.php?idconteudo=5898 -
Química para o Ensino Médio
http://www.fisica.com.br/Quimica/html/indexSoftware.htm -
Jogos químicos, tabela periódica, calculadora química, laboratório virtual, xadrex
http://www.iq.ufrj.br/ -
Instituto de Química da UFRJ
http://www.qca.ibilce.unesp.br/prevencao/ -
Segurança Química
http://www.qca.ibilce.unesp.br/prevencao/ -
Enciclopédia Química
http://www.qca.ibilce.unesp.br/prevencao/ -
Grupo de Pesquisa em Ensino em Química da USP

MEMBRANA CELULAR

MEMBRANA CELULAR

È constituída por uma dupla camada fosfolipídica. As porções polares dos fosfolípidos contactam o solvente aquoso e as suas longas porções hidrofóbicas situam-se no interior da membrana, longe da água. Na membrana encontram-se proteínas de dois tipos:

periféricas - encontram-se associadas à superfície da membrana, normalmente por interacções não covalentes. Não atravessam a membrana. Muitas vezes podem ser removidas por tratamento das membranas com concentrações crescentes de sal, que enfraquecem as ligações iónicas entre estas proteínas e os fosfolípidos e/ou outros componentes membranares.
integrais - encontram-se profundamente embebidas na membrana, atravessando-a e contactando simiultaneamente com o citoplasma e com o meio extracelular. A sua remoção exige a utilização de detergentes.

A pH fisiológico, as macromoléculas que se encontram no Fluido IntraCelular (FIC) possuem na sua quase totalidade carga negativa. Para contrabalançar estas cargas negativas, o FIC possui também elevadas concentrações de catião potássio (K+). A grande concentração destes solutos no FIC significa que se o Fluido ExtraCelular (FEC) não contivesse solutos, haveria uma grande tendência para a água se mover do FEC para o FIC, provocando aumento do volume celular para além da elasticidade da membrana, i.e., ruptura membranar e consequente morte da célula (choque osmótico). O FEC deve possuir portanto solutos em quantidade suficiente para evitar a ocorrência de choque osmótico. Os solutos mais abundantes no FEC são o catião sódio (Na+) e o anião cloreto (Cl-). No entanto, os iões inorgânicos têm uma certa facilidade em atravessar a membrana, e portanto existe uma tendência para as suas concentrações se tornarem iguais no FEC e no FIC. Como as macromoléculas não atravessam facilmente a membrana e ficam retidas dentro da célula isto significa que na situação de equilíbrio existe maior concentração de solutos no FIC do que no FEC, o que mais uma vez provoca choque osmótico. A célula deve portanto possuir mecanismos que evitem o choque osmótico. Em células animais, existe uma proteína cuja função é manter as concentrações de iões inorgânicos longe da posição de equilíbrio, evitando assim a sua acumulação no FIC e posterior choque osmótico: a bomba de Na+/K+ ( Na+-K+ ATPase).
A bomba de Na+/K+ é uma proteína mebranar cuja função é expulsar Na+ do FIC e recolher K+ do FEC. Para realizar este trabalho é necessária energia, porque a proteína vai ter de transportar os iões de zonas em que se encontram em baixas concentrações para zonas em que se encontram em grandes concentrações, i.e. contra a sua “tendência natural”. Esta energia é fornecida pelo ATP. O mecanismo da bomba é o seguinte:

Na+ liga-se à proteína na face citoplasmática da bomba.
ATP fosforila a bomba, induzindo uma mudança conformacional.
Na nova conformação, o Na+ fica voltado para o FEC e não para o FIC. A proteína perde afinidade para o sódio, que se desliga e se difunde no FEC.
Nesta nova conformação, a bomba tem grande afinidade para o K+, que se liga à proteína na face extracelular da bomba.
A proteína é desfosforilada, voltando à conformação inicial, com baixa afinidade para o potássio e com os locais de ligação de iões voltados para o citoplasma. O K+ difunde-se então para o FIC, e o ciclo reinicia-se.
O processo gasta bastante energia (cerca de 1/3 do ATP total produzido pela célula em alguns casos), e tem como resultado a translocação de 3 mol Na+ para o FEC e de 2 mol de K+ para o FIC por cada mol de ATP hidrolizada.
Além da sua óbvia utilidade na manutenção do volume celular, os gradientes de Na+ e K+ têm também outras funções, p.ex. a transmissão do impulso nervoso em células nervosas e o fornecimento de energia para transporte activo.


Transporte através da membrana

A natureza hidrofóbica do interior da membrana cria problemas à difusão de moléculas de interesse biológico através delas, uma vez que muitas destas são hidrofílicas. Os lípidos, gases e as vitaminas lipossolúveis atravessam facilmente a membrana sem necessidade de mecanismos de transporte (difusão simples), mas as outras substâncias necessitam quase sempre de mecanismos específicos para a sua translocação. Estes mecanismos podem ser de vários tipos:

difusão facilitada: Difusão em que intervêm moléculas transportadoras. Como em qualquer difusão, as moléculas movem-se segundo o seu gradiente de concentração,i.e., das zonas em que estão em grande concentração para as zonas em que a sua concentração é baixa. Atravessam a membrana através de porinas (proteínas integrais com estrutura semelhante a um tubo que atravessa a membrana de uma face à outra) ou poros. O transporte de substâncias também pode ser feito através de canais. Estes distinguem-se dos poros por não se encontrarem permanentemente abertos. Só abrem mediante estímulos específicos (um choque mecânico, uma mudança de potencial eléctrico, a ligação de uma molécula específica, etc.)
Transporte activo. As moléculas movem-se contra o seu gradiente de concentração. É portanto um mecanismo que necessita de energia. Esta pode ser fornecida pelo ATP (ex. a bomba de Na+/K+) ou por outras formas.

Qualquer dos métodos pode ser utilizado para transportar mais do que uma espécie ao mesmo tempo. Neste caso, se as duas espécies se movem na mesma direcção fala-se de simporte. Se se movem em direcções opostas trata-se de um antiporte. O gradiente de Na+ é muitas vezes utilizado para realizar um simporte de açúcares para dentro da célula. Neste caso, a energia do gradiente de Na+ é utilizada para transportar os açúcares contra o seu gradiente de concentração (simporte activo).

Algumas bactérias produzem ionóforos: substâncias hidrofóbicas com locais de ligação a iões e com grande facilidade de se difundir através da membrana. Em alguns casos os ionóforos formam poros através da membrana. Estas substâncias são antibióticos potentes, pois destroem os gradientes iónicos necessários para a manutenção das funções celulares.

Pinocitose: na superfície das membranas existem zonas revestidas com clatrina (poços revestidos). Muitas vezes estas zonas possuem também receptores específicos para proteínas transportadoras de sustâncias importantes (ex. colesterol ou ferro). Estas zonas têm grande tendência a invaginar (capturando assim porções do FEC) formando pequenas vesículas que, após perderem o seu revestimento de clatrina, se fundem com endossomas primários. Passado pouco tempo, encontram-se em endossomas perinucleares e após fusão com lisossomas ocorre a degradação dos conteúdos das vesículas. O ambiente acídico dos endossomas promove a separação dos receptores, que podem depois voltar à superfície para outro ciclo.
A fagocitose ocorre em macrófagos e neutrófilos. É um processo estimulado, ao contrário da pinocitose,que é constitutiva.


RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO (R.E.)

Liso (REL): produz os lípidos de que a célula necessita.
Rugoso (RER): síntese proteica. Possui ribossomas na sua superfície, oque lhe confere o seu aspecto característico.

A síntese proteica inicia-se no citosol, por ribossomas livres. As proteínas que devem transitar pelo retículo possuem no seu N-terminal uma sequência específica de aminoácidos, que serve como sinal. Esta sequência é reconhecida por um complexo (a particula de reconhecimento do sinal-SRP) constituído por seis cadeias polipeptídicas e um RNA. A ligação da SRP à cadeia nascente pára a tradução do mRNA. Na superfície do RER existe um receptor específico que reconhece o conjunto ribossoma-mRNA-cadeia nascente-SRP. O ribossoma encontra-se agora ligado ao RER, e a ligação do conjunto ao receptor promove a saída da SRP, possibilitando a continuação da tradução. A cadeia nascente entra no interior do RER através de poros específicos. No interior do RER, a maioria das proteínas vai ser glicosilada. É também no RER que se formam as pontes dissulfureto, num processo assistido pela isomerase dos dissulfuretos proteicos. Esta proteína acelera a formação e quebra das pontes de dissulfureto, facilitando grandemente o processo de escolha das pontes de dissulfureto mais estáveis. As cadeias nascentes são protegidas por proteínas especiais, denominadas chaperones, cuja função é impedir que as zonas hidrofóbicas das cadeias polipeptídicas se agreguem prematuramente entre si dando origem a proteínas com a conformação errada (e portanto inactivas).


GOLGI

No complexo de Golgi realiza-se a parte mais importante da glicosilação. A cadeia glicosilada que as proteínas receberam no RER vai ser modificada consoante o seu destino final. Esta modificação inclui fosforilação de resíduos de manose (no compartimento cis), remoção de resíduos de manose, adição de N-acetilglucosamina, ramificação da cadeia (compartimento médio) e adição de ácido N-acetilenuramínico(ácido siálico) no compartimento trans.


LISOSSOMAS

Possuem uma grande variedade de hidrolases ácidas, capazes de degradar quase todos os contúdos celulares. Estas hidrolases têm um pH óptimo entre 3 e 6, e portanto o interior dos lissomas é ácido. A acidificação é realizada por Bombas de H+, que usam ATP. As suas enzimas são glicoproteínas provenientes do Golgi, que saem da sua face trans em vesículas específicas. A compartimentação destas enzimas impede a lise indiscriminada dos conteúdos celulares.
Os lisossomas podem ser secundários ou primários, consoante contêm ou não produtos de degradação. Possuem um halo sem conteúdo visível ao microscópio electrónico entre a membrana e o seu interior. Este halo poderá ser devido à presença de oligossacarídeos que poderão proteger a membrana lisossomal de auto-degradação.
Os lisosomas estão envolvidos em processos de autofagia e heterofagia. A formação dos autolisossomas inicia-se quando uma porção de RE envolve um organelo que deve ser destruído, formando uma vesícula em seu redor. Esta vesícula é posteriormente acidificada e funde-se depois com um sisossoma primário, que inicia a degradação. Na heterofagia, os lisossomas fundem-se com endossomas (provenientes da endocitose) ou fagossomas (provenientes da fagocitose).
Algumas células são capazes de exocitar lisossomas para destruir componentes extracelulares, p. ex. na formação de tecido ósseo, em que é necessário eliminar primeiro as células ósseas antigas.


NÚCLEO

O envelope nuclear é constituído por uma membrana externa (contínua com o RE) uma membrana interna e a lâmina nuclear. A função do núcleo é sintetizar os ácidos nucleicos necessários para o funcionamento e reprodução celulares. No núcleo existem vários “sub-organelos” (os nucléolos) cuja função é sintetizar os ribossomas.
Os processos nucleares básicos são a replicação (síntese de DNA) e a trancrição (síntese de RNA). O processo de crescimento das cadeias de ácidos nucleicos é um processo reversível. A fim de os tornar irreversíveis, as enzimas responsáveis por estes processos acoplam-nos a processos irreversíveis (no caso a hidrólise do (d)NTP), tornando o processo total irreversível.

Replicação
É realizada por DNA polimerase (com a ajuda de girases, topoisomerases, primase, etc.). As novas cadeias são sintetizadas (tal como no caso da RNA polimerase) no sentido 5’-3’, o que significa que cada novo nucleósido se liga à extremidade 3’ da cadeia nascente.
A DNA polimerase não conseguir sintetizar uma cadeia a partir do nada, exigindo a presença de um pequeno oligonucleotídeo (um primer). O primer é de RNA, e feito por uma RNA polimerase. Uma das cadeias (a cadeia condutora) é sintetizada continuamente, ao passo que a outra (cadeia atrasada) é sintetizada em fragmentos (fragmentos de Okazaki) que são ligados entre si depois de eliminados os respectivos primers.
A DNA polimerase é capaz de se auto-corrigir: um novo nucleósido só é adicionado à cadeia se o anterior fôr exactamente complementar ao nucleótido da cadeia “molde” (Eng. “template”). Se a complementaridade não fôr perfeita, o nucleósido errado é eliminado pela própria DNA polimerase numa actividade de exonuclease 3’-5’ (exonuclease = actividade de degradação da extremidade de um ácido nucleico).


Transcrição

Em eucariotas, existem três RNA polimerases diferentes (uma para cada tipo de RNA). A RNA polimerase liga-se ao DNA, mas só começam a síntese de RNA depois de encontrarem pequenas sequências específicas (os promotores). Existem vários tipos de promotores, alguns dos quais muito mais “fortes” do que outros, e esta é uma das razões por que alguns genes são transcritos muito mais frequentemente do que outros. Muitos genes possuem também sequências reguladoras onde se ligam proteínas específicas, que impedem o desenrolamento do DNA e a transcrição.
A síntese de RNA é feita continuamente, sem necessitar de primers, e termina quando a RNA polimerase reconhece uma sequência de terminação específica.
Em eucariotas, o mRNA é sintetizado numa forma “imatura” (o hnRNA –RNA nuclear heterogéneo). Durante a síntese, a extremidade 5’ é modificado com 7-metilguanosina. Após a síntese, é adicionada uma longa cadeia de adeninas à extremidade 3’. Seguidamente, ocorre a remoção de intrões (“splicing”). Ocorre numa estrutura constituída por proteínas e RNA (o “spliceossoma”). O processo é catalizado por RNA.
A transcrição de rRNA ocorre no nucléolo. Cada subunidade do ribossoma é produzida separadamente, e exportada para o citoplasma através dos poros nucleares. As subunidades só se juntam no citoplasma. O ribossoma completo é demasiado grande para passar pelos poros nucleares, e portanto os ribossomas estão impedidos de entrar no núcleo.


Tradução

Em eucariotas, o tRNA iniciador é inicialmente posicionado na subunidade pequena com a ajuda de um factor de iniciação ainda antes da ligação ao mRNA. O mRNA liga-se à subunidade pequena através da sua extremidade 5’, e desliza através dela até o codão de iniciação (AUG) ser reconhecido pelo tRNA de iniciação. Nesta altura o factor de iniciação desliga-se e começa a tradução da mensagem. Todas as proteínas recém-sintetizadas contêm portanto metionina como primeiro aminoácido. No entanto, frequentemente esta metionina é clivada pouco depois por uma amino peptidase, pelo que muitas proteínas maduras não contêm Met como aminoácido N-terminal [.....]
N

METABOLISMO

Chama-se metabolismo ao conjunto de reacções químicas que ocorrem nas células, e que lhe permitem manter-se viva, crescer e dividir-se. Classicamente, divide-se o metabolismo em:

catabolismo - obtenção de energia e poder redutor a partir dos nutrientes.
anabolismo - produção de novos componentes celulares, em processos que geralmente utilizam a energia e o poder redutor obtidos pelo catabolismo de nutrientes.
Existe uma grande variedade de vias metabólicas. Em humanos, as vias metabólicas mais importantes são:

glicólise - oxidação da glucose a fim de obter ATP
ciclo de Krebs - oxidação do acetil-CoA a fim de obter energia
fosforilação oxidativa - eliminação dos electrões libertados na oxidação da glucose e do acetil-CoA. Grande parte da energia libertada neste processo pode ser armazenada na célula sob a forma de ATP.
via das pentoses-fosfato - síntese de pentoses e obtenção de poder redutor para reacções anabólicas
ciclo da ureia - eliminação de NH4+ sob formas menos tóxicas
b-oxidação dos ácidos gordos - transformação de ácidos gordos em acetil-CoA, para posterior utilização pelo ciclo de Krebs.
gluconeogénese -síntese de glucose a partir de moléculas mais pequenas, para posterior utilização pelo cérebro.
Clique na imagem para obter informação sobre cada via



As diversas vias metabólicas relacionam-se entre si de forma complexa, de forma a permitir uma regulação adequada. Este relacionamento envolve a regulação enzimática de cada uma das vias, o perfil metabólico característico de cada órgão e controlo hormonal.

Regulação das vias metabólicas
Regulação da glicólise
O fluxo metabólico através da glicólise é regulado em três pontos:

hexocinase: é inibida pelo próprio produto, glucose-6-P
fosfofrutocinase: inibida por ATP e por citrato (que sinaliza a abundância de intermediários do ciclo de Krebs). É também inibida por H+, o que é importante em situações de anaerobiose (a fermentação produz ácido láctico, que faz baixar o pH). Provavelmente este mecanismo impede que nestas situações a célula esgote toda a sua reserva de ATP na reacção da fosfofrutocinase, o que impediria a activação da glucose pela hexocinase. É estimulada pelo substrato (frutose-6-fosfato), AMP e ADP (que sinalizam falta de energia disponível), etc.
piruvato cinase: inibida por ATP e por acetil-CoA
Regulação da gluconeogénese
O fluxo é regulado nas reacções características da gluconeogénese. Assim a piruvato carboxilase é activada por acetil-CoA, que sinaliza a abundância de intermediários do ciclo de Krebs, i.e., diminuição da necessidade de glucose.



Regulação do ciclo de Krebs
O ciclo de Krebs é controlado fundamentalmente pela disponibilidade de substratos, inibição pelos produtos e por outros intermediários do ciclo.

piruvato desidrogenase: é inibida pelos próprios produtos, acetil-CoA e NADH
citrato sintase: é inibida pelo próprio produto, citrato. Também inibida por NADH e succinil-CoA (sinalizam a abundância de intermediários do ciclo de Krebs).
isocitrato desidrogenase e a-cetoglutarato desidrogenase: tal como a citrato sintase, são inibidas por NADH e succinil-CoA. A isocitrato desidrogenase também é inibida por ATP, e estimulada por ADP.Todas as desidrogenases mencionadas são estimuladas pelo ião cálcio.
Regulação do ciclo da ureia
A actividade da carbamoil-fosfato sintetase é estimulada por N-acetilglutamato, que assinala a abundância de azoto no organismo.

Regulação do metabolismo do glicogénio
O fígado possui uma hexocinase com pouca afinidade para a glucose e que não é inibida por glucose-6-P. Portanto, a glucose só é fosforilada no fígado quando existe no sangue em concentrações muito elevadas (i.e. depois das refeições). Assim, quando a concentração de glucose no sangue é baixa o fígado não compete com os outros tecidos, e quando os níveis de glucose são elevados o excesso de glucose é convertido pelo fígado em glicogénio.

Regulação do metabolismo dos ácidos gordos
A entrada dos acil-CoA na mitocôndria é um factor crucial na regulação. O malonil-CoA, que se encontra presente no citoplasma em grande quantidade em situações de abundância de combustíveis metabólicos, inibe a carnitina aciltransferase impedindo que os acil-CoA entrem na mitocôndria para serem degradados. Além disso a 3-hidroxiacil-CoA desidrogenase é inibida por NADH e a tiolase é inibida por acetil-CoA, o que diminui a degradação de ácidos gordos quando a célula tem energia em abundância.

Regulação da via das pentoses-fosfato
O fluxo metabólico na via das pentoses-fosfato é determinado pela velocidade da reacção da glucose-6-fosfato-desidrogenase, que é controlada pela disponibilidade de NADP+.

Perfis metabólicos dos órgãos mais importantes
Cérebro
Utiliza normalmente apenas glucose como fonte de energia. Armazena muito pouco glicogénio, pelo que necessita de um fornecimento constante de glucose. Em jejuns prolongados, adapta-se à utilização de corpos cetónicos. É sempre incapaz de utilizar ácidos gordos.

Fígado
Uma das suas principais funções é manter o nível de glucose no sangue, através da gluconeogénese e da síntese e degradação do glicogénio. Realiza a síntese de corpos cetónicos em situações de abundância de acetil-CoA. Responsável pela síntese da ureia.

Tecido adiposo
Sintetiza ácidos gordos e armazena-os sob a forma de triacilgliceróis. Por acção do glucagon, hidroliza triacilgliceróis em glicerol e ácidos gordos, que liberta para a corrente sanguínea em lipoproteínas.

Músculo
Utiliza glucose, ácidos gordos, corpos cetónicos e aminoácidos como fonte de energia. Possui uma reserva de creatina fosfatada, um composto capaz de fosforilar ADP em ATP e assim produzir energia sem gasto de glucose. A quantidade de creatina presente no músculo é suficiente para cerca de 3-4 s de actividade. Após este período, realiza a glicólise, primeiro em condições anaeróbicas (por ser bastante mais rápida do que o ciclo de Krebs) e posteriormente (quando o aumento da acidez do meio diminui a actividade da fosfofrutocinase e o ritmo da glicólise) em condições aeróbicas.

Rim
Pode realizar a gluconeogénese e libertar glucose para a corrente sanguínea. Responsável pela excreção de electrólitos, ureia, etc. A síntese de ureia, que ocorre no fígado, usa HCO3-, o que contribui para a descida do pH sanguíneo. Situações de acidose metabólica poderão portanto ser agravadas pela acção do ciclo da ureia. Nestas circunstâncias, o azoto é eliminado pela acção conjunta do fígado e do rim: o excesso de azoto é primeiro incorporado em glutamina pela glutamina sintase. A glutaminase renal cliva então a glutamina em glutamato e NH3, que excreta imediatamente. Este processo permite a excreção de azoto sem eliminar o anião bicarbonato.

Controlo hormonal
É efectuado principalmente por duas hormonas sintetizadas pelo pâncreas: a insulina e o glucagon. A insulina é libertada pelo pâncreas quando a concentração de glucose no sangue é elevada, i.e., sinaliza a abundância de glucose. A insulina estimula a entrada de glucose no músculo, a síntese de glicogénio e a síntese de triacilglicéridos pelo tecido adiposo. Inibe a degradação do glicogénio e a gluconeogénese. O glucagon é produzido pelo pâncreas quando os níveis de glucose no sangue baixam muito, e tem efeitos contrários aos da insulina. No fígado, o glucagon vai estimular a degradação do glicogénio e a absorção de aminoácidos gluconeogénicos. Vai também inibir a síntese do glicogénio e promover a libertação de ácidos gordos (a nível do tecido adiposo).

GLICÓLISE

Para realizar o seu anabolismo, a célula não precisa apenas de energia (ATP): também precisa de poder redutor, sob a forma de NADPH. O NADPH é produzido durante a oxidação da glucose-6-P por uma via distinta da glicólise, a via das pentoses-fosfato. Esta via é muito activa em tecidos envolvidos na biossíntese de colesterol e de ácidos gordos (fígado, tecido adiposo, cortex adrenal, glândulas mamárias). Esta via também produz ribose-5-P, o açúcar constituinte dos ácidos nucleicos.

A glucose-6-P é primeiro oxidada no seu carbono 1, dando origem a uma lactona (um ácido carboxílico cíclico). Os electrões libertados são utilizados para reduzir uma molécula de NADP+. O anel é então aberto por reacção com água:



A descarboxilação do gluconato liberta dois electrões, que vão reduzir outra molécula de NADP+. Obtém-se assim um açúcar de 5 carbonos, a ribulose-5-fosfato, que por isomerização é transformado em ribose-5-P. (Na figura assinalam-se a verde as diferenças entre os isómeros).



O que se passa a seguir depende das necessidades da célula: se a célula só precisar de NADPH e não precisar de ribose-5-P esta poderá ser reaproveitada. Isto é feito através de 3 reacções. Na primeira, a ribose-5-P recebe dois carbonos da xilulose-5-P (obtida por epimerização da ribulose-5-P):



Seguidamente, são transferidos três carbonos da sedoeptulose-7-P para o gliceraldeído-3-P:



Por transferência de dois carbonos da xilulose-5-P para a eritrose-4-P, forma-se outra molécula de frutose-6-P e uma molécula de gliceraldeído-3-P:



O balanço destas últimas reacções é:

2 xilulose-5-P + ribose-5-P -----> 2 frutose-6-P + gliceraldeído-3-P

A frutose-6-P e o gliceraldeído-3-P podem ser utilizados na glicólise para produção de energia, ou reciclados pela gluconeogénese para formar novamente glucose-5-P. Neste último caso, através de seis ciclos da via das pentoses-fosfato e da gluconeogénese uma molécula de glucose-6-P pode ser completamente oxidada a seis moléculas de CO2 com produção simultânea de 12 moléculas de NADPH. Quando as necessidades de ribose-5-P são superiores às de NADPH, esta pode ser produzida por estas reacções a partir de

AMINOÁCIDOS

Além de serem constituintes das proteínas os aminoácidos podem ser usados como precursores de moléculas biológicas azotadas: hemos, nucleótidos, glutationa, animas fisiologicamente activas, etc.

O excesso de aminoácidos da dieta não é armazenado nem excretado: é convertido em piruvato, oxaloacetato, a-cetoglutarato, etc. Consequentemente, os aminoácidos são também precursores de glucose, ácidos gordos e corpos cetónicos. Podem por isso ser usados também para produção de energia.

O processo envolve a eliminação do grupo amina (desaminação), incorporação do amónio assim produzido em ureia para posterior excreção e conversão do esqueleto carbonado em intermediários metabólicos.

A desaminação da maior parte dos aminoácidos envolve uma transaminação prévia, que consiste na transferência do seu grupo amino para um a-cetoácido, produzindo o aminoácido correspondente ao a-cetoácido e o a-cetoácido correspondente ao aminoácido original. Geralmente o aceitador do grupo amina é o a-cetoglutarato, que é convertido em glutamato:



As aminotransferases usam piridoxal-5'-fosfato, um derivado da vitamina B6. O piridoxal está também envolvido em reacções de descarboxilação de aminoácidos, e de eliminação das suas cadeia laterais. É também o cofactor envolvido na reacção da glicogénio fosforilase, embora neste caso o mecanismo de actuação seja diferente. As aminotransferases são específicas para cada tipo de aminoácido, produzindo os a-cetoácidos correspondentes. No entanto, a maioria só aceita a-cetoglutarato ou (em menor extensão) oxaloacetato, como aceitador de grupo amina, produzindo glutamato ou aspartato. Por conseguinte, os grupos amina da maior parte dos aminoácidos são utilizados para produzir glutamato ou aspartato, que por sua vez podem ser interconvertidos pela glutamato-aspartato aminotransferase.



Existe um grupo de aminotransferases musculares que usa piruvato (que também é um a-cetoácido) como aceitador de amina. O aminoácido produzido por estas (a alanina), é lançado para a corrente sanguínea e absorvido pelo fígado, onde é transaminado a piruvato, que será usado na gluconeogénese. A glucose assim produzida é depois oxidada a piruvato pelo músculo, completando o ciclo da alanina. O grupo amina é depois utilizado para a síntese da ureia. O resultado do ciclo da alanina é o transporte de azoto do músculo para o fígado.



A transaminação conserva os grupos amina. A desaminação é levada a cabo principalmente pela glutamato desidrogenase, uma enzima mitocondrial que usa quer NAD+ quer NADP+.



O azoto libertado sob a forma de amoníaco nesta reacção deve ser excretado. Muitos animais aquáticos excretam-no simplesmente sob a forma de amónio. Outros animais, que não têm tanta água à sua disposição, convertam o amónio em produtos menos tóxicos, e que por isso não precisam de tanta água para serem excretados. Um desses produtos é a ureia.

As causas da toxicidade do amónio não estão bem elucidadas, mas sabe-se que quando a concentração de amónio é muito alta, este reage com o glutamato para formar glutamina, numa reacção catalizada pela glutamina sintase.



Para repôr os níveis de glutamato, outros aminoácidos reagem com o a-cetoglutarato por transaminação. O resultado é o progressivo esgotamento das reservas de a-cetoglutarato e glutamato, com consequências particularmente lesivas a nível cerebral.

A ureia é sintetizada no fígado, que depois a secreta para a corrente sanguínea, de onde será excretada pelo rim. A reacção global do ciclo da ureia é:



O primeiro passo é a formação de carbamoil-fosfato, uma forma activada de azoto:



O grupo carbamoil é então transferido para a ornitina para produzir citrulina. Esta duas moléculas são aminoácidos "especiais", i.e., não fazem parte da estrutura de proteínas.





Estas duas primeiras reacções ocorrem na mitocôndria. A citrulina é então transferida para o citoplasma, onde ocorre o resto do ciclo.

O segundo átomo de azoto presente na ureia é proveniente do aspartato:



Nesta reacção o ATP é hidrolizada a AMP, em vez de ADP (como acontece normalmente). Como o AMP pode receber um fosfato do ATP, dando origem a 2 ADP, hidrolizar ATP a AMP é equivalente a hidrolizar 2 ATP a 2 ADP.

O argininosuccinato é depois clivado em arginina e fumarato:



O fumarato pode entrar no ciclo de Krebs para produzir NADH e oxaloacetato, que por sua vez pode ser reconvertido em aspartato por transaminação.

A hidrólise da arginina produz ureia e ornitina, que depois de reentrar na mitocôndria pode recomeçar o ciclo.



O ciclo da ureia tem um elevado custo energético, equivalente à hidrólise de 4 ATP a 4 ADP. No entanto, este custo pode ser recuperado na cadeia transportadora de electrões, uma vez que um NADH é produzido na desaminação do glutamato e outro NADH na posterior oxidação do fumarato a oxaloacetato, o que é equivalente a cerca de 6 ATP.

FERMENTAÇÃO/RESPIRAÇÃO

Os elétrons libertados pela oxidação de substratos são transferidos pelas enzimas para moléculas especiais: os aceitadores de elétrons. Os aceitadores de eléctrons podem ser de vários tipos, e os mais comuns são o NAD+ e o FAD. Cada uma destas moléculas pode receber dois eléctrons, transformando-se respectivamente em NADH+H+ e FADH2. Como as quantidades de NAD+ e FAD na célula são muito pequenas, é necessário haver mecanismos para transformar o NADH+H+ e FADH2 de novo em NAD+ e o FAD. Isto é feito por transferência dos eléctrons do NADH+H+ e FADH2 para outras moléculas, o que pode ocorrer por fermentação ou respiração. A distinção entre estes não é (ao contrário do que geralmente se pensa) o fato de um utilizar O2 e o outro não!


Fermentação

Na fermentação, a molécula que recebe os elétrons do NADH (ou FADH2) é um produto da mesma via metabólica que produziu o NADH (ou FADH2). Por exemplo, nos músculos, durante exercício físico intenso, o NADH produzido na glicólise transfere os seus elétrons para o piruvato (uma molécula orgânica produzida também pela glicólise), dando origem a lactato.


(A relação entre a descida do pH dos músculos durante a produção do lactato e a ocorrência de cãibras é discutida em pormenor nestes dois artigos). Esta é a fermentação láctica . Existem muitos outros tipos de fermentação em microorganismos, sendo o mais conhecido a fermentação alcoólica:




Respiração

Na respiração, a molécula que recebe os electrões do NADH (ou FADH2) não é um produto da mesma via metabólica que produziu o NADH (ou FADH2). Existem microorganismos que utilizam como aceitador de electrões SO42-, SeO42- ,NO3-, NO2-, NO, U6+ (urânio), Fe3+, H+, etc. Os mamíferos utilizam O2, e a sua respiração é por isso chamada respiração aeróbica. A respiração aeróbica ocorre na membrana interna da mitocôndria, que contém os complexos proteicos de transferência electrónica. Cada um destes complexos recebe electrões de uma molécula e transfere-os para outra molécula diferente, e o conjunto chama-se por isso cadeia transportadora de electrões:
NADH desidrogenase ou complexo I. Em mamíferos é constituído por mais de vinte cadeias polipeptídicas, de muitas das quais não se conhece a função. Este complexo recebe os dois electrões do NADH+H+ e transfere-os através de agregados de Fe-S para uma molécula lipofílica a ubiquinona (Q), que se transforma então em ubiquinol (QH2). Neste complexo a transferência de electrões para a ubiquinona liberta energia suficiente para transportar protões (H+) da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar, o que faz diminuir o pH do espaço intermembranar em relação à matriz. (Mais pormenores, incluindo uma estrutura tridimensional manipulável, aqui)
sucinato desidrogenase ou complexo II. É a única enzima do ciclo de Krebs que não se encontra na matriz mitocondrial. Oxida succinato a fumarato, e transfere os dois electrões para uma molécula de FAD, que é reduzida a FADH2. Posteriormente estes electrões são transferidos para a ubiquinona, tal como acontece no complexo I. (Mais pormenores, incluindo uma estrutura tridimensional manipulável, aqui)
citocromo bc1 ou complexo III. Recebe os electrões do ubiquinol produzido pelos complexos I e II, e transfere-os para o citocromo c, uma pequena proteína solúvel presente no espaço intermembranar. (Mais pormenores, incluindo uma estrutura tridimensional manipulável, aqui).
citocromo c oxidase ou complexo IV. Transfere quatro electrões para o O2, reduzindo-o a duas moléculas de água. Estes electrões provêm de outras tantas moléculas de citocromo c. (Mais pormenores, incluindo uma estrutura tridimensional manipulável, aqui)


Nos complexos I, III e IV a transferência electrónica liberta energia suficiente para transportar H+ da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar. Isto provoca um aumento da concentração de H+ (e do potencial eléctrico) no espaço intermembranar, i.e. um maior potencial químico do H+ no espaço intermembranar do que na matriz. No entanto, quando se têm duas soluções de potencial químico diferente separadas por uma membrana, o soluto tem tendência para se deslocar do local onde o seu potencial químico é maior para o local em que o seu potencial químico é menor (o que, para uma substância sem carga eléctrica, é equivalente a mover-se dos locais de maior concentração para os de menor concentraçao).
No entanto, como a membrana interna da mitocôndria é impermeável ao H+, em condições normais a única forma destes protões voltarem para a matriz é através de uma proteína especial: a ATP sintetase. Esta proteína é constituída por duas partes: um canal intermembranar de protões (F0) e uma porção voltada para a matriz mitocondrial (F1). A porção F1 é constituída por várias subunidades com diferentes funções, e usa a energia do movimento de protões de volta à matriz para sintetizar ATP a partir de ADP e Pi.

A quantidade de ATP produzida pela ATP sintetase está por isso relacionada com a diferença de concentração de H+ através da membrana. Uma vez que a oxidação do NADH provoca transferência de protões da matriz para o espaço intermembranar em 3 complexos (I, III e IV) ao passo que a oxidação do FADH2 só provoca essa transferência em dois complexos (III e IV) a quantidade de ATP produzida a partir do NADH é maior do que a produzida a partir do FADH2. São produzidos quase 3 ATP por NADH e quase 2 ATP por cada FADH2.


O NADH não consegue atravessar a membrana da mitocôndria. Existem por isso processos para transferir os electrões do NADH produzido no citoplasma durante a glicólise para a cadeia transportadora de electrões. Estes são:

o vaivém do malato-aspartato (que também é importante na gluconeogénese: o NADH transfere os seus electrões ao oxaloacetato. Este transforma-se em malato, que pode entrar na mitocôndria, onde é novamente transformado em oxaloacetato, com formação de NADH dentro da mitocôndria. Este NADH transfere então os seus electrões para a cadeia transportadora de electrões através do complexo I. Neste caso produzem-se aproximadamente 3 ATP por cada NADH citoplasmático.


o vaivém do glicerol-3-P. Neste vaivém, que é muito activo no tecido adiposo castanho, o NADH citoplasmático transfere os seus electrões à dihidroxiacetona-fosfato (DHAP), que é um intermediário da glicólise. Esta transforma-se em glicerol-3-P, que pode doa os seus electrões à ubiquinona através de uma glicerol-3-P desidrogenase situada na face externa da membrana interna da mitocôndria. Neste caso produzem-se aproximadamente 2 ATP por cada NADH citoplasmático.


É possível ocorrer respiração mitocondrial sem produção de ATP: basta arranjar uma forma de fazer com que os protões regressem à matriz sem passarem pela ATP sintetase. Isto pode ser feito com ionóforos: moléculas lipossolúveis com capacidade de transportar iões. São produzidas p. ex. por plantas, para se defenderem de fungos parasitas. No tecido adiposo castanho, existe uma proteína (a termogenina) que funciona como canal de protões na membrana interna da mitocôndria: o regresso dos protões à matriz através dessa proteína em vez da ATP sintetase é responsável pela geração de calor característica deste tipo de tecido.

MATRIZ MITOCONDRIAL

Existem duas formas principais de manter os níveis de glucose no sangue entre as refeições: a degradação do glicogénio e a gluconeogénese. A Gluconeogénese consiste na síntese de glucose a partir de outros compostos orgânicos (piruvato, succinato, lactato, oxaloacetato, etc.). O processo é bastante semelhante ao inverso da glicólise. De facto, quase todas as reacções da glicólise são reversíveis em situações fisiológicas. As três excepções são as reacções catalizadas por:

piruvato cinase


fosfofrutocinase


hexocinase


Na gluconeogénese, cada um destes passos é substituído por reacções termodinamicamente favoráveis. Desses três passos, a síntese do fosfoenolpiruvato a partir do piruvato é o mais exigente em termos energéticos, por ter um DG bastante positivo. Para ultrapassar esta barreira termodinâmica, esta reacção vais ser acoplada a uma descarboxilação, uma estratégia usada frequentemente pela célula para empurrar um equilíbrio no sentido da formação de produtos, como se verá em várias reacções do ciclo de Krebs. Como quer o piruvato quer o fosfoenolpiruvato (PEP) são compostos com três carbonos, isto implica uma carboxilação prévia, cuja energia provém da hidrólise do ATP. A descarboxilação do oxaloacetato assim formado produz a energia necessária para a fosforilação do carbono 2 pelo GTP, dando origem ao fosfoenolpiruvato (numa reacção catalizada pela fosfoenolpiruvato carboxicinase - PEPCK).



A enzima responsável pela carboxilação do piruvato (a piruvato carboxilase) existe na matriz mitocondrial, e contém biotina. O oxaloacetato (OAA) formado nesta reacção é incapaz de atravessar a membrana da mitocôndria. Pode sair da mitocôndria apenas depois de transformado em malato ou aspartato. A escolha do processo depende da disponibilidade de NADH (necessário para a gluconeogénese) no citoplasma. Se houver NADH suficiente no citoplasma (p.ex. se se estiver a realizar gluconeogénese a partir do lactato) o oxaloacetato é transaminado a aspartato. Caso contrário, o OAA é reduzido a malato, que sai da mitocôndria para o citoplasma, onde é novamente oxidado a OAA com produção simultânea de NADH. O OAA é então descarboxilado a PEP pela PEPCK citoplasmática. Em humanos, existe também uma PEPCK mitocondrial.

As reacções catalizadas pela fosfofrutocinase e pela hexocinase são substituídas na gluconeogénese por reacções hidrolíticas. Neste ponto, em vez de fosforilar ADP a ATP (o inverso da glicólise, mas desfavorecido termodinamicamente em condições fisiológicas), ocorre a libertação do fosfato por hidrólise:



A frutose 1,6-bisfosfatase existe em quase todos os tecidos, mas a glucose-6-fosfatase existe apenas no fígado e no rim, o que lhes permite fornecer glucose ao resto do organismo:



Durante o exercício físico intenso, o lactato produzido nos músculos é enviado para a corrente sanguínea, e pode ser utilizado pelo fígado para sintetizar novas moléculas de glucose. Apesar de se gastarem no fígado 6 ATP por cada molécula de glucose assim sintetizada, e de estas apenas gerarem 2 ATP no músculo em condições anaeróbicas, o processo é vantajoso pois permite a manutenção do exercício (o que pode ser determinante para a sobrevivência do indivíduo, p. ex. permitindo escapar a um predador, ou a continuação da perseguição a uma presa).

DEGRADAÇÃO DO GLICOGÊNIO

Logo que entra na célula, a glucose é fosforilada a glucose-6-P pela enzima hexocinase:



A membrana celular é impermeável à glucose-6-fosfato, que pode por isso ser acumulada na célula. A glucose-6-fosfato será utilizada na síntese do glicogénio (uma forma de armazenamento de glucose), na síntese de outros compostos de carbono na via das pentoses fosfato, ou degradada para produzir energia - glicólise.

Grandes quantidades de glucose-6-P dentro da célula provocam um aumento da pressão osmótica. Nessas condições a água terá tendência a entrar para dentro da célula, provocando um aumento do seu volume e eventual lise. Por isso, a glucose-6-P vai ser armazenada sob a forma de um polímero: o glicogénio. O glicogénio é um polissacarídeo pouco solúvel (e que portanto não provoca aumento da pressão osmótica), bastante ramificado e constituído exclusivamente por monómeros de glucose unidos entre si por ligações a-1,4 e a-1,6 (nas ramificações):



Para poder ser utilizada na síntese do glicogénio, a glucose-6-fosfato é primeiro isomerizada a glucose-1-fosfato, pela enzima fosfoglucomutase.



A adição de glucose-1-P ao carbono 4' de uma extremidade da cadeia de glicogénio não é uma reacção favorecida termodinamicamente em condições fisiológicas, uma vez que o potencial de transferência de fosfato das ligações C-O-P normais é bastante baixo. Por isso, a glucose-1-P vai ser activada, i.e., vai ser transformada numa espécie com alto potencial de transferência de fosfato. Isto é conseguido por reacção com uridina trifosfatafa (UTP, uma molécula análoga do ATP, mas com uridina no lugar da adenina).



Esta reacção, só por si, não parece ser termodinamicamente favorável, pelo que se poderia pensar que não teria utilidade. No entanto, o pirofosfato (PPi) que se forma nesta reacção pode ser hidrolizado, numa reacção bastante exergónica. A eliminação do PPi empurra o equilíbrio no sentido de formação da UDP-glucose, ilustrando mais uma vez o princípio da utilização de uma reacção bastante exergónica para tornar espontânea uma outra reacção que de outra forma não seria favorecida termodinamicamente.

A UDP-glucose tem um elevado potencial de transferência de fosfato, o que lhe permite doar glucose à extremidade 4' de uma cadeia de glicogénio, numa reacção catalizada pela glicogénio sintase:



A glicogénio sintase só consegue adicionar glucose a cadeias de glicogénio pré-existentes, i.e., não é capaz de começar a síntese de uma nova molécula de glicogénio. A síntese do glicogénio é iniciada pela adição de uma molécula de glucose a um resíduo de tirosina de uma proteína denominada glicogenina.

As ramificações são realizadas por uma "enzima ramificadora". Esta actua sobre cadeias lineares de glicogénio com pelo menos 11 glucoses. A enzima ramificadora (amilo(1,4 -->1,6)-transglicosilase) transfere segmentos terminais de glicogénio de cerca de 7 resíduos de glucose para o grupo OH no carbono 6 de um resíduo de glucose (que pode estar na mesma ou noutra cadeia). As ramificações devem estar a pelo menos 4 resíduos de distância uma da outra.

Degradação do glicogénio
O glicogénio é degradado pela acção conjunta de três enzimas:

glicogénio fosforilase, que cliva uma ligação a(1-4) com fosfato inorgânico (Pi). Esta enzima só cliva resíduos de glucose que estejam a mais de 4 resíduos de distância de uma ramificação. Utiliza piridoxal, um derivado da vitamina B6, como cofactor.


Uma molécula de glicogénio com ramos de apenas 4 glucoses (o que se denomina uma "dextrina-limite") não pode ser degradada apenas pela glicogénio fosforilase. Necessita da acção da enzima seguinte:

enzima desramificadora do glicogénio: transfere três resíduos de glucose de uma ramo limite para outro ramo. O último resíduo da ramificação (com uma ligação a(1-6)) é eliminado por hidrólise, dando como resultado glucose livre e glicogénio desramificado. A hidrólise é catalizada pela mesma enzima desramificadora.


A glicogénio fosforilase é bastante mais rápida do que a enzima desramificadora, pelo que os ramos exteriores do glicogénio são degradados muito rapidamente no músculo em poucos segundos quando é necessária muita energia. A degradação do glicogénio para lá deste ponto exige a enzima desramificadora e é portanto mais lenta, o que explica em parte o facto do musculo só poder exercer a sua máxima força durante poucos segundos.

fosfoglucomutase: cataliza a isomerização de glucose-1-P a glucose-6-P, e vice-versa:


A glucose 6-fosfato pode então ser utilizada na glicólise. Ao contrário do músculo, o fígado (e em menor extensão, o rim) possui glucose-6-fosfatase, uma enzima hidrolítica que cataliza a desfosforilação da glucose 6-fosfato, o que lhe permite fornecer glucose ao resto do organismo:


CICLO DE KREBS

piruvato produzido na glicólise ainda contém bastante poder redutor (verifique o estado de oxidação de cada um dos seus carbonos e compare-o com o estado de oxidação do carbono no CO2). Este poder redutor vai ser aproveitado pela célula no ciclo de Krebs. Em primeiro lugar, o piruvato é utilizado para produzir acetil-CoA, que é uma forma activada de acetato (CH3COO-)


Nesta reacção intervém a piruvato desidrogenase. É uma enzima bastante complexa, que contém bastantes cofactores: lipoamida, FAD, coenzima A. A hidrólise da ligação tioéster (S-C=O) do acetil-CoA é bastante exergónica, pelo que a sua formação exige energia. Essa energia provém da descarboxilação do piruvato (note que o piruvato tinha três carbonos e a porção acetil do acetilCoA apenas possui dois: o grupo carboxilato migrou como CO2). A energia proveniente de descarboxilações é frequentemente usada pela célula para empurrar um equilíbrio no sentido da formação de produtos, como se verá em várias reacções do ciclo de Krebs e na gluconeogénese.

Na primeira reacção do ciclo de Krebs, o acetil-CoA é adicionado a oxaloacetato, dando origem a citrato, numa reacção de adição aldólica. A hidrólise do tioéster ajuda a deslocar o equilíbrio no sentido da formação de produtos:



O citrato é depois isomerizado a isocitrato. Este é então descarboxilado a a-cetoglutarato. Se o citrato não tivesse sido isomerizado a isocitrato antes da descarboxilação, esta produziria um composto de carbono ramificado, mais difícil de metabolizar.



Tal como o piruvato, o a-cetoglutarato é um a-cetoácido, i.e., possui um grupo carbonilo adjacente ao grupo ácido carboxílico. É portanto de prever que reaja exactamente como o piruvato, i.e., que a sua descarboxilação forneça energia suficiente para que se forme uma ligação tioéster com a coenzima A. E é isto que de facto ocorre... A enzima responsável por esta reacção, a a-cetoglutarato desidrogenase, é aliás bastante análoga à piruvato desidrogenase na sua composição e cofactores.



A ligação tioéster do succinil-CoA é, como todas as ligações tioéster, bastante energética.A sua hidrólise vai constituir o único ponto do ciclo de Krebs onde ocorre produção directa de ATP (ou equivalente).



O succinato é, tal como o oxaloacetato, um produto com quatro carbonos. A parte final do ciclo de Krebs consiste em regenerar o oxaloacetato a partir do succinato. O succinato é primeiro oxidado a fumarato, pelo complexo succinato desidrogenase (também denominado complexo II), que se encontra na face matricial da membrana interna da mitocôndria. A oxidação de ligação simples a dupla (alcanos a alcenos) tem um potencial demasiado elevado para que os electrões possam ser aceites pelo NAD+ (E0=-320 mV). A célula utiliza portanto FAD (E0= 0 mV)como aceitador destes electrões. A hidratação do fumarato produz malato, que depois é oxidado a oxaloacetato, completando o ciclo. Uma sequência semelhante de reacções ocorre na b-oxidação dos lípidos.



O resultado do ciclo de Krebs é portanto:

Acetil-CoA + oxaloacetato + 3 NAD+ + GDP + Pi +FAD --> oxaloacetato + 2 CO2 + FADH2 + 3 NADH + 3 H+ + GTP

SÍNTESE DO GLICOGÊNIO

A concentração de glucose na corrente sanguínea é mantida a níveis sensivelmente constantes de cerca de 4-5 mM. A glucose entra nas células por difusão facilitada. Este processo não permite a acumulação na célula de concentrações de glucose superiores às existentes no sangue, pelo que a célula deve ter um processo para acumular glucose no seu interior. Isto é feito por modificação química da glucose pela enzima hexocinase:



A membrana celular é impermeável à glucose-6-fosfato, que pode por isso ser acumulada na célula. A glucose-6-fosfato será utilizada na síntese do glicogénio (uma forma de armazenamento de glucose) , para produzir outros compostos de carbono na via das pentoses fosfato, ou degradada para produzir energia - glicólise.

Para poder ser utilizada na produção de energia, a glucose-6-fosfato é primeiro isomerizada a frutose-6-fosfato. A frutose-6-fosfato é depois fosforilada a frutose-1,6-bisfosfato numa reacção catalizada pela fosfofrutocinase. Este é o ponto de não-retorno desta via metabólica: a partir do momento em que a glucose é transformada em frutose-1,6-bisfosfato já não pode ser usada em nenhuma outra via.



Seguidamente, numa reacção inversa da adição aldólica, a frutose-1,6-bisfosfato é clivada em duas moléculas de três carbonos cada:



Estas duas moléculas (dihidroxiacetona fosfatada e gliceraldeído-3-fosfato) são facilmente interconvertíveis por isomerização. Portanto, basta uma via metabólica para degradar as duas. É por esta razão que a glucose-6-P foi isomerizada a frutose-6-P: a clivagem da glucose pela reacção inversa da condensação aldólica daria origem a duas moléculas bastante diferentes, de dois e quatro átomos de carbono, respectivamente, que exigiriam duas vias metabólicas diferentes para a sua degradação.

Os aldeídos têm potenciais de oxidação redução bastante baixos (cerca de -600 a -500 mV). A reacção de oxidação do gliceraldeído-3-fosfato pelo NAD+ (E0=-320 mV) é portanto bastante espontânea. É uma reacção tão exergónica que pode ser usada para produzir ATP (a produção de ATP a partir de ADP e Pi pode ser realizada se existir uma diferença de potencial de cerca de 180 mV). A produção de ATP é feita em dois passos. No primeiro, dá-se a oxidação do gliceraldeído-3-fosfato e a fosforilação do ácido produzido.



Os ácidos fosforilados (tal como os fosfoenóis e os fosfoguanidinos) têm grupos fosfatos bastante energéticos: a saída do grupo fosfato dá origem a espécies muito mais estabilizadas por ressonância. O grupo fosfato do carbono 1 do 1,3-bisfosfoglicerato pode por isso ser transferido para ADP, produzindo ATP.

O 3-fosfoglicerato é isomerizado a 2-fosfoglicerato, que depois de desidratado (i.e. perder H2O) dá origem a um fosfoenol:



Devido ao seu elevado potencial de transferência de fosfato o fosfoenolpiruvato pode transferir um fosfato ao ADP:



Na glicólise gastam-se portanto dois ATP, e produzem-se quatro ATP. O NAD+ tem de ser regenerado, caso contrário a glicólise pára, uma vez que é substrato de uma das reacções. Em condições aeróbicas, o NADH transfere os seus electrões para a cadeia transportadora de electrões. Na ausência de O2 o NADH transfere os seus electrões para o próprio piruvato, dando origem a lactato. É o que se denomina fermentação : um processo em que o aceitador final dos electrões provenientes da degradação é um produto orgânico da própria degradação.

sexta-feira, 21 de novembro de 2008

FERMENTAÇÃO

Os electrões libertados pela oxidação de substratos são transferidos pelas enzimas para moléculas especiais: os aceitadores de electrões. Os aceitadores de electrões podem ser de vários tipos, e os mais comuns são o NAD+ e o FAD. Cada uma destas moléculas pode receber dois electrões, transformando-se respectivamente em NADH+H+ e FADH2. Como as quantidades de NAD+ e FAD na célula são muito pequenas, é necessário haver mecanismos para transformar o NADH+H+ e FADH2 de novo em NAD+ e o FAD. Isto é feito por transferência dos electrões do NADH+H+ e FADH2 para outras moléculas, o que pode ocorrer por fermentação ou respiração. A distinção entre estes não é (ao contrário do que geralmente se pensa) o facto de um utilizar O2 e o outro não!


Fermentação

Na fermentação, a molécula que recebe os electrões do NADH (ou FADH2) é um produto da mesma via metabólica que produziu o NADH (ou FADH2). Por exemplo, nos músculos, durante exercício físico intenso, o NADH produzido na glicólise transfere os seus electrões para o piruvato (uma molécula orgânica produzida também pela glicólise), dando origem a lactato.


(A relação entre a descida do pH dos músculos durante a produção do lactato e a ocorrência de cãibras é discutida em pormenor nestes dois artigos). Esta é a fermentação láctica . Existem muitos outros tipos de fermentação em microorganismos, sendo o mais conhecido a fermentação alcoólica:




Respiração

Na respiração, a molécula que recebe os electrões do NADH (ou FADH2) não é um produto da mesma via metabólica que produziu o NADH (ou FADH2). Existem microorganismos que utilizam como aceitador de electrões SO42-, SeO42- ,NO3-, NO2-, NO, U6+ (urânio), Fe3+, H+, etc. Os mamíferos utilizam O2, e a sua respiração é por isso chamada respiração aeróbica. A respiração aeróbica ocorre na membrana interna da mitocôndria, que contém os complexos proteicos de transferência electrónica. Cada um destes complexos recebe electrões de uma molécula e transfere-os para outra molécula diferente, e o conjunto chama-se por isso cadeia transportadora de electrões:
NADH desidrogenase ou complexo I. Em mamíferos é constituído por mais de vinte cadeias polipeptídicas, de muitas das quais não se conhece a função. Este complexo recebe os dois electrões do NADH+H+ e transfere-os através de agregados de Fe-S para uma molécula lipofílica a ubiquinona (Q), que se transforma então em ubiquinol (QH2). Neste complexo a transferência de electrões para a ubiquinona liberta energia suficiente para transportar protões (H+) da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar, o que faz diminuir o pH do espaço intermembranar em relação à matriz. (Mais pormenores, incluindo uma estrutura tridimensional manipulável, aqui)
sucinato desidrogenase ou complexo II. É a única enzima do ciclo de Krebs que não se encontra na matriz mitocondrial. Oxida succinato a fumarato, e transfere os dois electrões para uma molécula de FAD, que é reduzida a FADH2. Posteriormente estes electrões são transferidos para a ubiquinona, tal como acontece no complexo I. (Mais pormenores, incluindo uma estrutura tridimensional manipulável, aqui)
citocromo bc1 ou complexo III. Recebe os electrões do ubiquinol produzido pelos complexos I e II, e transfere-os para o citocromo c, uma pequena proteína solúvel presente no espaço intermembranar. (Mais pormenores, incluindo uma estrutura tridimensional manipulável, aqui).
citocromo c oxidase ou complexo IV. Transfere quatro electrões para o O2, reduzindo-o a duas moléculas de água. Estes electrões provêm de outras tantas moléculas de citocromo c. (Mais pormenores, incluindo uma estrutura tridimensional manipulável, aqui)


Nos complexos I, III e IV a transferência electrónica liberta energia suficiente para transportar H+ da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar. Isto provoca um aumento da concentração de H+ (e do potencial eléctrico) no espaço intermembranar, i.e. um maior potencial químico do H+ no espaço intermembranar do que na matriz. No entanto, quando se têm duas soluções de potencial químico diferente separadas por uma membrana, o soluto tem tendência para se deslocar do local onde o seu potencial químico é maior para o local em que o seu potencial químico é menor (o que, para uma substância sem carga eléctrica, é equivalente a mover-se dos locais de maior concentração para os de menor concentraçao).
No entanto, como a membrana interna da mitocôndria é impermeável ao H+, em condições normais a única forma destes protões voltarem para a matriz é através de uma proteína especial: a ATP sintetase. Esta proteína é constituída por duas partes: um canal intermembranar de protões (F0) e uma porção voltada para a matriz mitocondrial (F1). A porção F1 é constituída por várias subunidades com diferentes funções, e usa a energia do movimento de protões de volta à matriz para sintetizar ATP a partir de ADP e Pi.

A quantidade de ATP produzida pela ATP sintetase está por isso relacionada com a diferença de concentração de H+ através da membrana. Uma vez que a oxidação do NADH provoca transferência de protões da matriz para o espaço intermembranar em 3 complexos (I, III e IV) ao passo que a oxidação do FADH2 só provoca essa transferência em dois complexos (III e IV) a quantidade de ATP produzida a partir do NADH é maior do que a produzida a partir do FADH2. São produzidos quase 3 ATP por NADH e quase 2 ATP por cada FADH2.


O NADH não consegue atravessar a membrana da mitocôndria. Existem por isso processos para transferir os electrões do NADH produzido no citoplasma durante a glicólise para a cadeia transportadora de electrões. Estes são:

o vaivém do malato-aspartato (que também é importante na gluconeogénese: o NADH transfere os seus electrões ao oxaloacetato. Este transforma-se em malato, que pode entrar na mitocôndria, onde é novamente transformado em oxaloacetato, com formação de NADH dentro da mitocôndria. Este NADH transfere então os seus electrões para a cadeia transportadora de electrões através do complexo I. Neste caso produzem-se aproximadamente 3 ATP por cada NADH citoplasmático.


o vaivém do glicerol-3-P. Neste vaivém, que é muito activo no tecido adiposo castanho, o NADH citoplasmático transfere os seus electrões à dihidroxiacetona-fosfato (DHAP), que é um intermediário da glicólise. Esta transforma-se em glicerol-3-P, que pode doa os seus electrões à ubiquinona através de uma glicerol-3-P desidrogenase situada na face externa da membrana interna da mitocôndria. Neste caso produzem-se aproximadamente 2 ATP por cada NADH citoplasmático.


É possível ocorrer respiração mitocondrial sem produção de ATP: basta arranjar uma forma de fazer com que os protões regressem à matriz sem passarem pela ATP sintetase. Isto pode ser feito com ionóforos: moléculas lipossolúveis com capacidade de transportar iões. São produzidas p. ex. por plantas, para se defenderem de fungos parasitas. No tecido adiposo castanho, existe uma proteína (a termogenina) que funciona como canal de protões na membrana interna da mitocôndria: o regresso dos protões à matriz através dessa proteína em vez da ATP sintetase é responsável pela geração de calor característica deste tipo de tecido.

OXIDAÇÃO DE ÁCIDOS GORDOS

b-oxidação dos ácidos gordos
A maior parte da reserva energética do organismo encontra-se armazenada sob a forma de triacilglicéridos. Estes podem ser hidrolizados por lipases a glicerol e ácidos gordos:



O glicerol pode seguir para a glicólise depois de oxidado a dihidroxiacetona fosfatada na face externa da membrana interna da mitocôndria. Os dois electrões libertados nesta oxidação são recebidos pela ubiquinona (Q), que os transfere para a cadeia transportadora de electrões.



Os ácidos gordos terão um destino diferente: a β-oxidação, que ocorre na mitocôndria. Antes de entrarem na mitocôndria, os ácidos gordos são activados. A reacção de activação ocorre no citoplasma, e consiste na sua transformação em acil-CoA. Como sabemos do ciclo de Krebs, as ligações tioéster são muito energéticas: para a fazer, um ATP é hidrolizado a AMP (equivalente à hidrólise de 2 ATP em 2 ADP).



A membrana da mitocôndria é impermeável aos acil-CoA. Para entrarem na mitocôndria estes reagem com um aminoácido "especial", a carnitina, libertando a coenzima A. A carnitina esterificada é transportada para dentro da mitocôndria por um transportador específico. Dentro da mitocôndria, a carnitina transfere o grupo acilo para uma outra molécula de CoA. A carnitina livre volta então para o citoplasma através do transportador. Note que neste processo não existe transporte de CoA para dentro da mitocôndria: as reservas citoplasmática e mitocondrial de CoA não se misturam.

A b-oxidação dos ácidos gordos consiste num ciclo de 3 reacções sucessivas, idênticas à parte final do ciclo de Krebs: desidrogenação, hidratação da ligação dupla formada e oxidação do álcool a uma cetona:





Por acção da enzima tiolase, liberta-se acetil-CoA, e um acil-CoA com menos dois carbonos que o acil-CoA original.





A repetição do ciclo permite a degradação total de um ácido gordo de cadeia par em acetil-CoA, que pode entrar no ciclo de Krebs, onde é completamente oxidado a CO2. É por isso impossível utilizar acetil-CoA para produzir oxaloacetato para (a partir deste), realizar a gluconeogénese.

Os ácidos gordos insaturados seguem um percurso semelhante, embora novas enzimas sejam necessárias para a oxidação na proximidade da ligação insaturada. No caso desta ligação se localizar num carbono ímpar, intervém a Δ3, Δ2-enoil-CoA isomerase. Esta enzima transfere a ligação dupla do carbono 3 para o carbono 2, permitindo a continuação da β-oxidação. Neste ciclo de β-oxidação não se forma FADH2.



No caso da ligação dupla se localizar num carbono par, é necessária a intervenção da 2,4-dienoil-CoA reductase: a presença das ligações duplas conjugadas faz com que a reacção de hidratação tenha mais tendência a ocorrer no carbono 4 do que no carbono correcto (2). A 2,4-dienoil-CoA reductase transforma as ligações conjugadas Δ4, Δ2 numa única ligação dupla Δ3. Os electrões necessários para esta conversão provêm do NADPH. O processo continua seguidamente de forma análoga à oxidação de ácidos gordos insaturados em carbono ímpar.



Um ácido gordo de cadeia ímpar dá origem, na última ronda do ciclo a acetil-CoA e propionil-CoA. Para que este possa ser utilizado pelo ciclo de Krebs, é necessário adicionar-lhe um átomo de carbono, o que é feito por carboxilação. O metilmalonil assim formado é então rearranjado a succinil-CoA, numa reacção assistida pela cobalamina (a vitamina B12).



O succinil-CoA, além de ser um intermediário no ciclo de Krebs, é um precursor do hemo. Uma deficiência em vitamina B12 resulta por isso na dificuldade de sintetizar hemo, i.e., no desenvolvimento de anemia perniciosa. Esta doença é o resultado da dificuldade de sequestrar cobalamina a nível do estômago, e surge em indivíduos predispostos em idade avançada. Antes dos modernos meios de produção de cobalamina, o tratamento consistia na ingestão diária de quantidades razoáveis de fígado cru, que é bastante rico nesta vitamina. O aparecimento da doença quase só em indivíduos idosos é uma consequência do facto de termos no fígado uma reserva de B12 suficiente para cerca de 3-5 anos, pelo que deficiências na sua absorção têm um efeito muito retardado.

O succinil-CoA é oxidado pelo ciclo de Krebs a malato, que depois de passar para o citoplasma pode ser utilizado na gluconeogénese. No citoplasma pode também ser descarboxilado a piruvato pela enzima málica, com produção simultânea de NADPH:



O piruvato pode entrar na mitocôndria, e ser completamente oxidado a CO2 pelo ciclo de Krebs.

Degradação peroxissomal de ácidos gordos
Os peroxissomas são pequenos organelos onde decorre a b-oxidação de ácidos gordos de cadeia longa, de forma a facilitar a sua degradação subsequente pela mitocôndria. As principais diferenças entre os dois processos são:

os ácidos gordos difundem-se livremente para dentro do peroxissoma, não precisando de ser transportados pela carnitina. Os produtos de oxidação seguem para a mitocôndria, depois de esterificarem a carnitina.
a oxidação do acil CoA não é feita pelo FAD, mas pelo oxigénio, produzindo peróxido de hidrogénio.


A tiolase peroxissomal é praticamente inactiva com acil-CoA com menos de 8 carbonos. Por isso, a degradação de ácidos gordos no peroxissoma é incompleta.
Síntese de corpos cetónicos (Cetogénese)
Uma grande quantidade do acetil-CoA produzido pela b-oxidação dos ácidos gordos nas mitocôndrias do fígado é convertida em acetoacetato e b-hidroxibutirato (também denominados corpos cetónicos). Estes compostos podem ser usados pelo coração e pelos músculos esqueléticos para produzir energia. O cérebro, que normalmente depende da glucose como fonte de energia, pode também utilizar corpos cetónicos durante um jejum prolongado (maior do que 2-3-dias). A síntese de corpos cetónicos começa pela condensação de duas moléculas de acetil-CoA, para formar acetoacetil-CoA:



A condensação de outra molécula de acetil-CoA produz 3-hidroxi-3-metil-glutaril-CoA (HMG-CoA). Esta reacção é idêntica, no seu mecanismo, à condensação do oxaloacetato com o acetil-CoA para formar citrato, que ocorre no ciclo de Krebs.



O HMG-CoA é então degradado a acetoacetato e acetil-CoA:



O acetoacetato assim produzido passa para a corrente sanguínea e é distribuído pelos tecidos. Uma vez absorvido, reage na mitocôndria com o succinil-CoA, produzindo succinato e acetoacetil-CoA, que pode ser clivado em duas moléculas de acetil-CoA.

Síntese de ácidos gordos
Em situações de abundância de acetil-CoA, o fígado e o tecido adiposo sintetizam ácidos gordos. O processo de síntese apresenta bastantes semelhanças com o inverso da b-oxidação, mas também tem diferenças importantes:

ocorre no citoplasma, e não na mitocôndria.
usa NADPH como fonte de electrões
o transportador de grupos acilo é a ACP (Acyl Carrier Protein), e não a coenzima A.
A síntese de ácidos gordos é feita a partir de acetil-CoA. No entanto, o processo é endergónico, pelo que o acetil-CoA deve ser previamente activado. Este é portanto carboxilado pela acetil-CoA carboxilase, uma enzima que tal como as outras carboxilases (p.ex., do piruvato ou do propionil-CoA) possui biotina:



O malonil é então transferido para a proteína transportadora de acilos (ACP), dando a origem a malonil-ACP. Este será então condensado com acetil-ACP (sintetizado de forma semelhante a partir de acetil-CoA).



Em animais, todos os passos da síntese do ácido palmítico (o ácido gordo saturado com 16 carbonos) são catalizados pela sintase dos ácidos-gordos, uma enzima bastante grande que leva a cabo todas as reacções seguintes desta via. O butiril-ACP produzido na primeira reacção vai ser transformado em butil-ACP. A sequência de reacções é o inverso da que ocorre na b-oxidação, i.e., redução, desidratação e hidrogenação:



O butil-ACP pode então condensar com outra molécula de malonil-ACP. O ciclo repete-se sete vezes, até se formar palmitoil-ACP, que por hidrólise produz ácido palmítico. A estequiometria da síntese do ácido palmítico é portanto:

Acetil-CoA + 7 Malonil-CoA + 14 NADPH + 7 H+ ---> palmitato + 7 CO2 + 14 NADP+ + 8 CoA + 6 H2O

Ácidos gordos insaturados ou de cadeia mais longa são produzidos a partir do ácido palmítico por acção de elongases e desaturases.

Note que a síntese de ácidos gordos ocorre no citoplasma, ao passo a a síntese de acetil-CoA ocorre na mitocôndria. É por isso necessário transportar acetil-CoA para o citoplasma. Isto é feito pelo sistema de transporte dos ácidos tricarboxílicos, também chamado ciclo do citrato: o citrato formado na mitocôndria por condensação do acetil-CoA com oxaloacetato difunde-se para o citoplasma, onde é clivado pela citrato-liase em acetil-CoA e oxaloacetato, que é depois reduzido a malato, que se pode difundir de volta para a mitocôndria. Por acção da enzima málica, o malato também pode ser usado para produzir parte do NADPH necessário para a síntese dos ácidos gordos. O restante NADPH deve ser produzido pela via das pentoses-fosfato.

ÁCIDOS CARBOXÍLICOS

Os ácidos carboxílicos são ácidos fracos. Mesmo assim, estão entre os compostos orgânicos mais ácidos: apresentam tipicamente pKa entre 4 e 6 (comparado com 16-20 para alcoois, aldeídos e cetonas e 25 para os protões acetilénicos). A razão desta elevada acidez encontra-se parcialmente na ressonância: o anião carboxilato originado pela desprotonação do ácido é fortemente estabilizado por ressonância. O ácido terá portanto grande tendência a perder o protão, a fim de originar esta espécie muito estável:



Recentemente, estudos teóricos revelaram que apenas cerca de 1/3 da estabilização do anião carboxilato é devida à ressonância. A contribuição restante deve-se ao efeito indutivo provocado pela deficiência de carga electrónica no carbono do grupo carboxilato [Holt & Karty, 2003]

Substituição nucleófila de ácidos carboxílicos e derivados
Devido à presença do grupo carbonilo, os ácidos carboxílicos e seus derivados estão sujeitos a ataque nucleofílico, tal como os aldeídos e cetonas. Entre os derivados dos ácidos carboxílicos, os cloretos de acilo serão os mais susceptíveis de ataque nucleofílico, uma vez que a grande electronegatividade do cloro retira bastante densidade electrónica ao carbono do grupo carbonilo, aumentando bastante a sua electrofilicidade. No outro extremo encontram-se as amidas: a sua baixa electronegatividade (comparada com os derivados contendo oxigénio ou cloro) torna bastante eficiente a partilha do par de electrões extra do azoto, provocando uma estabilização muito acentuada por efeito de ressonância.



A reacção mais importante dos derivados dos ácidos carboxílicos é a substituição nucleófila. Um exemplo é a hidrólise dos cloretos de acilo:



Esta reacção é extremamente rápida por causa do efeito indutor do cloro, que torna o carbonilo bastante electrofílico (ver acima).

Esterificação
Os ésteres podem ser facilmente preparados por condensação de um ácido carboxílico com um álcool em condições de catálise ácida:



Hidrólise de ésteres
Os ésteres podem ser hidrolisados por catálise ácida. Neste caso, o mecanismo é exactamente o oposto da esterificação. A reacção é por isso reversível. Quando se pretende sintetizar o éster, remove-se a água da mmistura reaccional a fim de deslocar o equilíbrio no sentido da formação do éster. Pelo contrário, quando se pretende hidrolizar o éster, realiza-se a reacção na presença de um grande excesso de água.

A hidrólise do éster em solução básica é, no entanto, irreversível pelo que o seu estudo mais detalhado se justifica. Neste caso, a hidrólise não é realizada pela água, mas pelo anião hidróxido:



O último passo da reacção é irreversível: o carboxilato (uma base fraca) não tem nenhuma tendência a retirar o protão do álcool (um ácido muito fraco).

Síntese de amidas
O processo é semelhante à síntese de ésteres:



Utilizando amoníaco (NH3), obtêm-se amidas. Utilizando aminas primárias (RNH2), obtêm-se amidas monosubstituídas. Utilizando aminas secundárias (R4NH), obtêm-se amidas disubstituídas

REAÇÃO PARA OBTENÇÃO DE ÁLCOOL

Já encontrámos várias reacções que produzem aldeídos e/ou cetonas: a oxidação dos álcoois, a ozonólise e a acilação de Friedel-Crafts:



A natureza polar do grupo carbonilo permite-lhe reagir quer com electrófilos como com nucleófilos: os nucleófilos atacarão o carbono (que tem deficiência de electrões) e os electrófilos atacarão o oxigénio (que tem elevada densidade electrónica).

Redução de aldeídos e cetonas
Os aldeídos e as cetonas podem ser reduzidos respectivamente a álcoois primários e a álcoois secundários. A redução pode ser realizada (tal como a redução de alcenos) por hidrogenação na presença de Pt, Pd, Rh ou Ni.



Para a maior parte das aplicações laboratoriais, este método foi substituído por métodos baseados em hidretos metálicos. Os reagentes mais comuns são o boroidreto de sódio (NaBH4) e o LiAlH4.

Hidratação
Os aldeídos e as cetonas reagem com a água num equilíbrio rápido:



O produto é um diol (uma molécula com dois grupos álcool). A quantidade de hidrato presente no equilíbrio é muito variável, e é normalmente muito maior para os aldeídos do que para as cetonas. A posição do equilíbrio depende de factores electrónicos e de factores estéricos (relacionados com o volume). Substituintes que libertam densidade electrónica (por exemplo, grupos metilo) estabilizam o grupo carbonilo e diminuem a extensão da hidratação. Da mesma forma, substituintes que instabilizam o carbonilo favorecem a formação do hidrato. Factores estéricos: No hidrato, o carbono central está muito mais “apertado” do que no aldeído ou cetona inicial. Quanto maiores forem R1 e R2, maior será a instabilização da forma hidratada, e portanto a quantidade de hidrato presente no equilíbrio será menor. A hidratação dos aldeídos e cetonas pode ser catalizada quer por ácidos quer por bases.

Catálise alcalina


Catálise ácida


Formação de acetais
Sob condições de catálise ácida, os aldeídos reagem com álcoois formando diéteres denominados acetais. O primeiro passo é o ataque (catalizado por ácido) do aldeído por uma molécula de álcool, num processo bastante semelhante ao ocorrido na hidratação:



Nas condições ácidas da sua formação, o hemiacetal é convertido num carbocatião:



Este carbocatião é estabilizado por ressonância, devido à presença dos pares de electrões não-ligantes do oxigénio:



O acetal é formado por reacção do carbocatião com outra molécula de álcool:



Enóis


Aldeídos e cetonas com pelo menos um hidrogénio a (hidrogénio ligado ao carbono imediatamente adjacente ao carbonilo) encontram-se em equilíbrio com um isómero denominado enol. Este equilíbrio chama-se tautomerismo ceto-enol. Os tautómeros são isómeros que diferem entre si apenas na posição de um átomo ou grupo de átomos. Para cetonas e aldeídos simples, o equilíbrio encontra-se fortemente deslocado no sentido do composto carbonilo. Isto permite sintetizar aldeídos a partir de alcinos: a hidratação de um alcino dá origem a um enol, que está em equilíbrio com o composto carbonilo correspondente:



A enolização pode ser catalizada por uma base forte, como o anião hidróxido. A base retira um hidrogénio a, dando origem ao enolato correspondente. O enolato é uma espécie estabilizada por ressonância:



Esta ressonância é a razão da elevada acidez dos hidrogénios a dos aldeídos e cetonas, uma vez que o anião enolato é mais estabilizado do que o composto carbonilo original.

Condensação aldólica
O aldeído pode ser parcialmente convertido em enolato por catálise alcalina. O enolato assim formado pode atacar outra molécula de aldeído dando origem a um aldol (uma molécula com um grupo aldeído e um grupo álcool). Apresenta-se a seguir o mecanismo desta reacção (adição aldólica)



A adição aldólica é um equilíbrio que favorece os produtos quando o reagente é um aldeído. Quando se usam cetonas o equilíbrio normalmente encontra-se deslocado no sentido dos reagentes; as cetonas dão por isso fracos rendimentos de produtos de adição aldólica. O produto da adição aldólica de um aldeído é um aldeído b-hidroxilado. Da mesma forma, sob determinadas condições, um aldeído (ou cetona) b-hidroxilado pode ser quebrado em duas moléculas mais pequenas numa reacção que é o inverso da adição aldólica. Uma reacção deste tipo é a quebra de frutose-1,6-bisfosfato em dihidroxiacetona fosfatada e gliceraldeído-3-fosfato, que ocorre na glicólise . Por aquecimento, estes compostos desidratam, dando origem a uma ligação dupla carbono-carbono conjugada com o aldeído. A desidratação ocorre sempre na direcção em que se formam ligações conjugadas C=C-C=O.


ÁLCOOL

Álcoois
Já conhecemos várias formas de sintetizar álcoois:


Hidratação de alcenos


Substituição nucleófila. No entanto, esta reacção só é útil com substratos incapazes de reagir rapidamente por E2.




Na presença de bases fortes, os álcoois actuam como dadores de protões. Os álcoois são geralmente ácidos ligeiramente mais fracos do que a água, com valores de pKa entre 16 e 18. Os álcoois são compostos versáteis, e podem ser usados como material de partida para a preparação de uma grande variedade de compostos.

Oxidação de álcoois a compostos carbonilo.
A oxidação de álcoois pode dar origem a um aldeído, uma cetona, ou um ácido carboxílico, dependendo do álcool, do agente oxidante e das condições da reacção. Normalmente usam-se compostos de Cr(VI) como oxidantes. A reacção de um álcool primário com ácido crómico (preparado por acidificação de soluções de cromato, CrO42-, ou dicromato, Cr2O72-) dá origem principalmente ao ácido carboxílico correspondente:



Para se oxidar um álcool primário apenas até ao estado de aldeído não se pode usar ácido crómico, pois este é um oxidante muito forte. Em vez deste, usam-se outras espécies de Cr(VI) (por exemplo clorocromato de piridínio - PCC - ou dicromato de piridínio - PDC) em solução anidra.



Os álcoois secundários são oxidados a cetonas pelos mesmos reagentes que oxidam os álcoos primários:



Os álcoois terciários, por não possuírem hidrogénio ligado ao carbono hidroxilado, não são facilmente oxidados.

Exercícios: Preveja os principais produtos orgânicos das seguintes reacções:


SUBSTITUIÇÃO ELETROFÍLICA AROMÁTICA II

O benzeno comporta-se de forma diferente de outros compostos insaturados. P. ex. o bromo adiciona muito rapidamente a um alceno, mas não adiciona ao benzeno. O bromo pode reagir com o benzeno na presença de um catalizador apropriado, mas a reacção que ocorre não é uma adição, mas uma substituição. Os reagentes capazes de atacar o anel benzénico são normalmente electrófilos. Viu-se anteriormente que os electrófilos adicionam a alcenos:



Os hidrocarbonetos aromáticos (também chamados arenos) reagem com electrófilos por substituição:



Esta reacção chama-se substituição electrofílica aromática, e é um dos processos fundamentais da química orgânica.

Mecanismo da substituição electrofílica aromática
A substituição electrofílica aromática ocorre por um mecanismo com dois passos. No primeiro passo o electrófilo aceita um par de electrões do sistema p do anel aromático, dando origem a um carbocatião.



No segundo passo da reacção um H+ desliga-se do carbono ao qual o electrófilo adicionou, dando origem ao produto da substituição e restaurando o sistema aromático.



Apesar de estabilizado por ressonância, o catião cicloexadienilo não é aromático: o sistema cíclico contínuo de orbitais p necessário para o sistema aromático está quebrado; o carbono ao qual o electrófilo se ligou encontra-se hibridizado sp3. Assim, a estabilidade associada ao sistema aromático desapareceu na formação do intermediário. A recuperação do sistema aromático é a principal razão para o benzeno sofrer substituição e não adição.



Nitração


O ião nitrónio (NO2+) não existe em concentrações apreciáveis no ácido nítrico. A adição de ácido sulfúrico provoca a sua rápida formação:

HNO3 + 2 H2SO4 ® NO2+ + H3O+ + 2 HSO4-

A nitração é portanto efectuada em “ácido misto” (uma mistura de HNO3 e H2SO4). Consoante o substrato aromático, o mecanismo pode ser o descrito acima, ou ser precedido pela transferência de um electrão do areno para o catião nitrónio(Queiroz et al., 2006, Gwaltney et al., 2002 )



Sulfonação
Quando se aquece ácido sulfúrico, liberta-se trióxido de enxofre, que ataca o anel benzénico.



As sulfonações são importantes no fabrico de detergentes.

Alquilação e acilação de Friedel-Crafts

O electrófilo na alquilação de um anel benzénico é um carbocatião formado pela reacção de um haleto de alquilo com o cloreto de alumínio, que actua como catalizador:



O carbocatião assim formado reage com o benzeno da mesma forma que os outros electrófilos.



A acilação realiza-se de forma semelhante, mas usando um haleto de acilo em vez de um haleto de alquilo:


SUBSTITUIÇÃO ELETROFÍLICA AROMÁTICA

Consideremos a nitração do benzeno, do tolueno e do (trifluorometil)benzeno:



O tolueno é mais reativo do que o benzeno. A sua nitração ocorre de 20 a 25 vezes mais depressa do que a nitração do benzeno. Ao invés, a nitração do (trifluorometil)benzeno é cerca de 40000 vezes mais lenta do que a do benzeno. O efeito é semelhante para todas as reações de substituição eletrofílica aromática. Diz-se portanto que o grupo metilo do tolueno ativa o anel, e que o trifluorometilo desativa o anel. Substituintes ativantes aumentam a velocidade das reações de substituição electrofílica aromática. Substituintes desativantes diminuem a velocidade das reações de substituição electrofílica aromática.

Orientação


Ao contrário do benzeno, no tolueno as diferentes posições do anel não são equivalentes. A substituição no tolueno pode originar produtos substituídos em orto, meta ou para. Na nitração do tolueno, formam-se predominantemente os isômeros orto- e para-.O isômero meta- forma-se apenas em quantidades vestigiais. Diz-se por isso que o grupo metilo é orto-,para-director. A nitração do (trifluorometil)benzeno produz um resultado diferente: forma-se quase exclusivamente o isómero meta-. Diz-se portanto que o substituinte trifluorometil é um meta-diretor.

Já vimos que a substituição eletrofílica aromática ocorre através de um intermediário: o cátion cicloexadienilo. O estudo da estrutura e da estabilidade deste cátion é a chave para a compreensão do efeito dos substituintes na velocidade e na regioselectividade. O princípio fundamental é: um carbocátion mais estável forma-se mais rapidamente que um carbocátions menos estável. Consideremos novamente a nitração do tolueno. O grupo metilo aumenta a densidade eletrônica do anel por efeito indutivo, tornando todas as suas posições mais susceptíveis de ataque eletrofílico do que as posições correspondentes no benzeno. Além disso, no caso do ataque orto, as estruturas contribuintes incluem um carbocátion terciário muito estável, devido ao efeito indutivo do grupo metilo:



No caso do ataque meta, todas as estruturas contribuintes são carbocátions secundários. O ataque em orto será portanto favorecido em comparação com o ataque em meta.



Exercício: Comprove que no caso do ataque para, também existe um carbocátions terciário entre as estruturas contribuintes.

Algo diferente se passa no caso do (trifluorometil)benzeno. O grupo trifluorometilo retira densidade electrônica ao anel por efeito indutivo, tornando todas as suas posições menos susceptíveis de ataque eletrofílico do que as posições correspondentes no benzeno. Tal como no tolueno, o ataque do (trifluorometil)benzeno pelo NO2+ em posição orto dá origem a um carbocátions terciário entre as estruturas contribuintes:



No entanto este carbocátions terciário é extremamente instável: a grande eletronegatividade dos átomos de flúor cria uma deficiência electrônica significativa no carbono (assinalada por d+). O carbocátions terciário possui então duas cargas positivas em átomos adjacentes, o que o instabiliza bastante. O mesmo acontece quando o ataque é realizado em para. O ataque em meta- não tem este inconveniente, pelo que o produto da nitração do (trifluorometil)benzeno será quase exclusivamente o isómero meta-.

Exercício: Comprove que no caso do ataque meta-, não existem estruturas contribuintes em que o carbocátion esteja instabilizado.

Grupos ativantes
EFEITO NA VELOCIDADE
SUBSTITUINTE
EFEITO NA ORIENTAÇÃO

Muito fortemente ativantes
-NH2 ,-NHR,-NR2, -OH
Orto-, para-diretores

Fortemente ativantes
-OR,

Ativantes
-R, -CH=CR2,

Desactivantes
-F, -Cl, -Br, -I

Fortemente desativantes

Meta-diretores

Muito fortemente desactivantes
-CF3, -NO2


Conforme se pode ver na tabela junta, vários substituintes ativantes orto-,para-directores contêm um átomo de oxigênio ou de azoto ligado ao anel benzênico. Os cátions cicloexadienilo formados por ataque orto- ou para- são estabilizados por doação de um par de eléctrons não compartilhados do oxigênio ou azoto. Observemos o intermediário formado por ataque orto- de um anel contendo um grupo alcóxi (-OR).



O par de elétrons não compartilhados do oxigênio estabiliza o cátion originado de ataque para- da mesma forma, mas o cátion originado pelo ataque meta- não beneficia desta estabilização. Conforme ilustrado por este exemplo, substituintes com pares de elétrons não compartilhados ligados ao anel são orto-,para-diretores. Todos os substituintes ativantes estabilizam o cátion doando densidade eletrônica ao anel. Além disso, todos os substituintes ativantes são orto-,para-diretores.

Grupos desativantes
Todos os substituintes meta- diretores são desativantes, i.e., reagem mais lentamente do que o benzeno. Geralmente, os substituintes desativantes encontram-se ligados ao anel benzênico através de átomos com uma carga positiva (total ou parcial), cujo efeito é retirar densidade electrônica do anel e diminuir a estabilidade do cátion cicloexadienilo. Um exemplo comum é o grupo carbonilo (C=O). A ligação carbono-oxigênio é bastante polarizada, e o átomo de carbono (o menos electronegativo do par) é a zona positiva do dipolo:



Os intermediários da nitração do benzaldeído são:



A nitração do benzaldeído dá origem quase exclusivamente ao isômero meta-, uma vez que os intermediários dos ataque em orto- e em para- são instáveis devido à presença de cargas positivas em átomos adjacentes.

Os halogênios são substituintes peculiares: apesar de desativantes, são orto-,para-diretores. O seu efeito desativante é devido à sua elevada eletronegatividade, que provoca diminuição de densidade eletrônica no anel. No entanto, tal como o oxigênio e o azoto, os halogênios possuem pares de elétrons não compartilhados que podem ser doados ao carbono carregado positivamente, o que estabiliza os intermediários derivados de ataque orto- e para-:


  EXERCÍCIOS DE NOMENCLATURA SOBRE ALCANOS,ALCENOS E ALCINOS   II-Classifique as cadeias em ramificadas, abertas ou fechadas   ...