Metabolismo Energético da Célula

Metabolismo (do grego metabolismos, μεταβολισμός, que significa "mudança", troca ) é o conjunto de transformações que as substâncias químicas sofrem no interior dos organismos vivos. O termo "metabolismo celular" é usado em referência ao conjunto de todas as reações químicas que ocorrem nas células. Estas reações são responsáveis pelos processos de síntese e degradação dos nutrientes na célula e constituem a base da vida, permitindo o crescimento e reprodução das células, mantendo as suas estruturas e adequando respostas aos seus ambientes.

As reações químicas do metabolismo estão organizadas em vias metabólicas, que são sequências de reações em que o produto de uma reação é utilizado como reagente na reação seguinte. Diferentes enzimas catalisam diferentes passos de vias metabólicas, agindo de forma concentrada de modo a não interromper o fluxo nessas vias. As enzimas são vitais para o metabolismo porque permitem a realização de reações desejáveis mas termodinamicamente desfavoráveis, ao acoplá-las a reações mais favoráveis. As enzimas regulam as vias metabólicas em resposta a mudanças no ambiente celular ou a sinais de outras células.

O metabolismo é normalmente dividido em dois grupos: anabolismo e catabolismo. Reações anabólicas, ou reações de síntese, são reações químicas que produzem nova matéria orgânica nos seres vivos. Sintetizam-se novos compostos (moléculas mais complexas) a partir de moléculas simples (com consumo de ATP). Reações catabólicas, ou reações de decomposição/degradação, são reações químicas que produzem grandes quantidades de energia livre (sob a forma de ATP) a partir da decomposição ou degradação de moléculas mais complexas (matéria orgânica). Quando o catabolismo supera em atividade o anabolismo, o organismo perde peso, o que acontece em períodos de jejum ou doença; mas se o anabolismo superar o catabolismo, o organismo cresce ou ganha peso. Se ambos os processos estão em equilíbrio, o organismo encontra-se em equilíbrio dinâmico ou homeostase.

O metabolismo é fundamentalmente estudado pela Bioquímica, usando muitas vezes também técnicas ligadas à Biologia Molecular e à Genética.

Características gerais

O metabolismo de um organismo determina o quanto de substancia são consumidas sendo que o mesmo possui alto poder de recuperação, o metabolismo além dessa determinação possui por exemplo, alguns procariontes utilizam ácido sulfídrico como nutriente; este gás é no entanto venenoso para animais. A velocidade a que se processa o metabolismo, determinada pela taxa metabólica, também influencia a quantidade de alimento requerida por um organismo.

Uma característica do metabolismo é a semelhança de vias metabólicas básicas entre espécies muito diferentes. Por exemplo, o conjunto de intermediários reacionais encontrados no ciclo dos ácidos tricarboxílicos é encontrado de forma universal, em células tão diferentes como a bactéria Escherichia coli ou o elefante. Esta estrutura metabólica semelhante está provavelmente associada à grande eficiência dessas vias e na sua antiguidade na história da evolução.

Aminoácidos e proteínas

As proteínas são compostas por aminoácidos dispostos numa cadeia linear e ligados entre si por ligações peptídicas. Muitas proteínas são as enzimas que catalisam as reações químicas no metabolismo. Outras proteínas têm funções estruturais ou mecânicas, como o sistema de armação celular usado para manter a forma da célula, o citoesqueleto.

As proteínas desempenham também papéis importantes na sinalização celular, resposta imunitária, adesão celular, transporte ativo através de membranas e no ciclo celular.

Lípidos

Os lípidos são o grupo mais diversificado de compostos bioquímicos. Constituem grande parte das membranas biológicas, tais como a membrana celular; além desta função estrutural, também servem como fonte de energia. Os lípidos são normalmente definidos como moléculas biológicas hidrofóbicas ou anfipáticas solúveis em solventes orgânicos como o benzeno ou clorofórmio.

As gorduras são um grupo alargado de compostos que inclui os ácidos gordos e o glicerol; uma molécula de glicerol ligada a três ácidos gordos por uma ligação éster é um triacilglicerol. Existem diversas variações desta estrutura básica, incluindo a presença de esfingosina em esfingolípidos e grupos hidrofílicos como o fosfato nos fosfolípidos.

Os esteróides, como o colesterol, são outro grupo significativo de lípidos sintetizados em células.

Glícidos

Os glícidos são aldeídos ou cetonas contendo diversos grupos funcionais hidroxilo. Os glícidos simples podem existir numa forma linear ou numa forma cíclica. São as moléculas biológicas mais abundantes e possuem funções muito diversificadas, como o armazenamento e transporte de energia (sob a forma de amido e glicogênico . construção de elementos estruturais (como a celulose em plantas e a quitina em animais).

Os glícidos mais simples são os monossacarídeos, que incluem a galactose, a frutose e a glicose. Os monossacarídeos podem formar polímeros designados polissacarídeos de formas muito diversas.

Ácidos nucleicos

Os polímeros ADN e ARN são longas cadeias de nucleótidos. Estas macromoléculas são essenciais no armazenamento e uso da informação genética, através dos processos de transcrição e síntese proteica. Esta informação é protegida por mecanismos de reparação do ADN e propagada através da replicação do ADN. Alguns vírus têm um genoma constituído por ARN (por exemplo, o HIV), que usam transcrição reversa para sintetizar ADN a partir desse ARN.

O ARN de riboenzimas (como os pliceossoma) apresenta atividade enzimática tal como as enzimas proteicas, pois pode catalisar reações químicas.

Os nucleósidos são sintetizados a partir da ligação de uma base azotada a uma ribose. Estas bases são anéis heterocíclicos contendo azoto, classificados como purinas ou pirimidinas. Os nucleótidos também atuam como coenzimas em reações de transferência de grupos químicos.

Coenzimas

O metabolismo envolve um vasto conjunto de reações químicas, mas a maioria cai dentro de alguns tipos básicos de transferências de grupos funcionais. Esta química comum permite às células usarem um conjunto relativamente pequeno de intermediários metabólicos no transporte de grupos químicos de uma reação para a seguinte. Estes intermediários de transferência de grupos são as coenzimas. Cada classe de reação de transferência de grupos corresponde a uma determinada coenzima, servindo de substrato para um conjunto de enzimas que a produz e que a consome. Assim, as coenzimas são continuamente produzidas, consumidas e então recicladas.

A coenzima mais central é o trifosfato de adenosina (ATP), a moeda de troca energética universal das células. Este nucleótido é utilizado para transferir energia química entre diferentes reações químicas. Existe uma pequena quantidade de ATP permanentemente presente nas células, mas como é constantemente regenerado, o corpo humano é capaz de utilizar o seu peso em ATP por dia. O ATP atua como uma ponte entre catabolismo e anabolismo, tendo as reações catabólicas como produtoras de ATP e as anabólicas como consumidoras. Também serve como um transportador de grupos fosfato em reações de fosforilação.

As vitaminas são compostos orgânicos necessários em pequenas quantidades e que não podem ser sintetizados pelas células. Na nutrição humana, a maioria das vitaminas funciona como coenzimas após sofrerem uma modificação química; por exemplo, todas as vitaminas hidrossolúveis são fosforiladas ou acopladas a nucleótidos aquando da sua utilização intracelular. O dinucleótido de nicotinamida-adenina (NADH), um derivado da vitamina B3 (niacina), é uma coenzima importante que atua como aceitador de hidrogênio. Centenas de diferentes tipos de desidrogenases retiram electrões dos seus substratos e reduzem NAD+ a NADH. Esta forma reduzida da coenzima é então substrato para redutases celulares que necessitem de reduzir os seus substratos respectivos. O dinucleótido de nicotinamida-adenina existe também sob uma forma fosfatada, NADPH. O par redox NAD+/NADH é mais importante em reações catabólicas, enquanto que o par NADP+/NADPH é usado em reações anabólicas.

Catabolismo

O catabolismo é o conjunto das reações metabólicas que libertam energia. Tais reações incluem a degradação e oxidação de moléculas encontradas em alimentos, assim como reações que captam a energia luminosa da luz solar. As reações catabólicas providenciam energia e componentes necessários às reações anabólicas. A natureza exata destas reações catabólicas difere de organismo para organismo: organismos organotróficos usam moléculas orgânicas como fonte de energia, enquanto litotróficos usam substratos inorgânicos e fototróficos captam energia solar, transformando-a em energia química.

Todas estas diferentes formas de metabolismo dependem de reações redox que envolvem a transferência de eletrões de moléculas doadoras reduzidas, como moléculas orgânicas, água,amoníaco, ácido sulfídrico ou íons ferrosos (Fe2+), para moléculas aceitadoras, como o dioxigênio (O2), o nitrato (NO3−) ou o sulfato (SO42-). Em animais, estas reações envolvem a degradação de moléculas orgânicas complexas a moléculas mais simples, como dióxido de carbono (CO2) e água (H2O). Em organismos fotossintéticos, como as plantas e cianobactérias, estas reações de transferência eletrônica não libertam energia, sendo antes utilizadas como forma de armazenar energia absorvida da luz solar.

O conjunto de reações catabólicas mais comum em animais pode ser separado em três etapas diferentes. Na primeira etapa, moléculas orgânicas complexas como as proteínas, polissacarídeos ou lípidos são degradados nos seus componentes fora das células. Na etapa seguinte, estas moléculas de menor tamanho são importadas pelas células e convertidas a moléculas menores, normalmente o acetil-CoA, num processo que liberta energia. Na última etapa, o grupo acetilo do acetil-CoA é oxidado a água e dióxido de carbono, libertando energia que é armazenada através da redução da coenzima dinucleótido de nicotinamida-adenina, NAD+, a NADH.

Digestão

Macromoléculas como o amido ou as proteínas não podem ser rapidamente assimilados pelas células, tendo de ser degradados nos seus componentes de menor tamanho antes de poderem ser utilizados no metabolismo celular. A digestão destes polímeros é feita por diversas classes de enzimas. Estas enzimas digestivas incluem as proteases, que digerem proteínas a aminoácidos, e glicosídeo hidrolases, que digerem polissacarídeos a monossacarídeos.

Os microorganismos excretam enzimas digestivas para o ambiente ao seu redor, enquanto que os animais segregam estas enzimas em células especializadas do sistema digestivo. Os aminoácidos ou açúcares libertados por estas enzimas extracelulares são então assimiladas pelas células através de proteínas específicas usando transporte ativo.

Energia de compostos orgânicos

O catabolismo de glícidos consiste na degradação de glícidos complexos em unidades de menor tamanho. Os glícidos são normalmente assimilados pelas células após a sua digestão a monossacarídeos. Após entrada na célula, a principal via de degradação é a glicólise, em que açúcares como a glucose e a frutose são convertidos a piruvato, com a concomitante formação de ATP. O piruvato é um intermediário de diversas vias metabólicas, mas a maioria é convertida a acetil-CoA, que entra no ciclo dos ácidos tricarboxílicos (ciclo de Krebs). Embora haja mais alguma formação de ATP neste ciclo, o produto principal deste é o NADH, resultante da redução do NAD+quando o acetil-CoA é oxidado. Esta oxidação liberta dióxido de carbono. Uma via alternativa de degradação da glicose é a Via das pentoses-fosfato, que reduz a coenzima NADPH e produz pentoses como a ribose, o açúcar componente dos ácidos nucleicos.

As gorduras são catabolizadas por hidrólise a ácidos gordos livres e glicerol. O glicerol entra na glicólise e os ácidos gordos são degradados por beta-oxidação a acetil-CoA, que entra então no ciclo dos ácidos tricarboxílicos. Devido à sua grande proporção de grupos metileno e pelo facto de os glícidos possuem mais oxigênio nas suas estruturas químicas, os ácidos gordos libertam mais energia que os glícidos quando oxidados.

Os aminoácidos são utilizados na síntese de proteínas e outras biomoléculas, ou oxidados a ureia e dióxido de carbono para obtenção de energia. A via de oxidação começa com a remoção do grupo amina por uma transaminase, deixando um esqueleto de carbono sob a forma de um cetoácido; o grupo amina é então metabolizado no ciclo da ureia. Vários cetoácidos obtidos através da desaminação de aminoácidos são também intermediários no ciclo dos ácidos tricarboxílicos: por exemplo, a desaminação do glutamato forma α-cetoglutarato. Os aminoácidos glucogênicos também podem ser convertidos a glicose, através da gluconeogênese.

Fosforilação oxidativa

Na fosforilação oxidativa, os electrões obtidos na oxidação de moléculas em vias metabólicas como o ciclo dos ácidos tricarboxílicos são transferidos para o dioxigênio, e a energia libertada é usada na síntese de ATP. Em eucariontes, este processo é levado a cabo por uma série de proteínas, a cadeia de transporte eletrônico, nas membranas mitocondriais. Em procariontes, estas proteínas encontram-se na membrana celular interna. Estas proteínas utilizam a energia obtida da oxidação de NADH para bombear protões através da membrana.

O transporte de protões para o exterior da mitocôndria cria uma diferença de concentração de protões entre os dois compartimentos, gerando um gradiente eletroquímico. A presença deste gradiente força os protões a regressarem ao interior da mitocôndria através da ATP sintase. O fluxo de protões provoca a rotação da subunidade inferior, causando a fosforilação de difosfato de adenosina (ADP) o trifosfato de adenosina (ATP).

Energia de compostos inorgânicos

A quimiolitotrofia é um tipo de metabolismo encontrado em procariontes, em que a energia é obtida a partir da oxidação de compostos inorgânicos. Estes organismos podem usar hidrogênio, compostos reduzidos de enxofre (como sulfuretos, ácido sulfídrico e tiossulfato),óxidos de ferro (II), ou amoníaco como fontes de agentes redutores, ganhando energia a partir da oxidação destes compostos com aceitadores de electrões como o oxigênio ou o nitrito. Estes processos microbiológicos são importantes em ciclos biogeoquímicos como a acetogênese, a nitrificação e a desnitrificação e são de importância crítica para a fertilidade do solo.

Energia luminosa

A energia da luz solar é captada por plantas, cianobactérias, alguns tipos de bactérias e de protistas. Este processo está frequentemente acoplado à fixação de dióxido de carbono em compostos orgânicos, um processo integrante da fotossíntese. Os sistemas de captura de energia e de fixação de carbono podem trabalhar separadamente em procariontes, como acontece com as bactérias púrpura e as bactérias verdes sulfurosas, que usam a luz solar como fonte de energia mas alternam o seu metabolismo entre a fixação de carbono e a fermentação de compostos orgânicos.

A captação de energia solar é um processo semelhante à fosforilação oxidativa no ponto em que ambos os processos envolvem o armazenamento de energia sob a forma de um gradiente de protões e esta força motriz protônica leva à síntese de ATP. No caso da fotossíntese, os electrões necessários para o funcionamento da cadeia de transporte eletrônico provêm de proteínas colectoras de luz denominadas centros reacionais fotossintéticos. Estas estruturas dividem-se em dois tipos dependendo do pigmento fotossintético presente; a maioria das bactéria fotossintéticas possui apenas um tipo de centro, enquanto as plantas e as cianobactérias possuem dois.

Em plantas, o fotossistema II usa energia luminosa para remover electrões da água, libertando oxigênio no processo. os electrões fluem então para o complexo do citocromo b6f, que usa a sua energia para bombear protões através das membranas dos tilacoides nos cloroplastos. Estes protões regressam ao interior dos tilacoides através da ATP sintase, num processo semelhante ao descrito nas mitocôndrias. Estes electrões podem então fluir para o fotossistema I e podem ser utilizados na redução de NADP+, no ciclo de Calvin ou reciclados para gerar ainda mais ATP.

Anabolismo

O anabolismo é o conjunto de reações metabólicas de síntese em que a energia libertada pelo catabolismo é utilizada para construir moléculas complexas. Em geral, as moléculas complexas que constituem estruturas celulares são construídas passo a passo a partir de precursores mais simples. O anabolismo divide-se em três etapas fundamentais: primeiro, a síntese de precursores como aminoácidos, monossacarídeos, isoprenóides e nucleótidos, depois a sua ativação a formas reativas usando energia provinda do ATP e finalmente a construção de moléculas complexas, tais como proteínas, polissacarídeos, lípidos e ácidos nucleicos, a partir destes precursores ativados.

Os organismos diferem entre si na quantidade de diferentes moléculas que conseguem sintetizar. Os seres autotróficos, como as plantas, podem construir moléculas complexas (polissacarídeos e proteínas) a partir de moléculas muito simples como o dióxido de carbono e a água. Os seres heterotróficos necessitam de fontes alimentares para providenciar monossacarídeos e aminoácidos, para produzir macromoléculas. Os organismos podem ainda ser classificados segundo a fonte primária da sua energia: fotoautotróficos e foto-heterotróficos obtém energia a partir da luz solar, enquanto que organismos quimioautotróficos e quimio-heterotróficos obtêm energia a partir de reações de oxidação.

Fixação de carbono

A fotossíntese é o processo em que ocorre síntese de glicose a partir da luz solar, dióxido de carbono e água, havendo produção concomitante de oxigênio. Este processo utiliza ATP e NADPH produzido pelos centros reacionais fotossintéticos para converter CO2 em glicerol-3-fosfato, que pode ser então convertido a glicose. Esta reação de fixação de carbono é catalisada pela enzima RuBisCO e é parte integrante do ciclo de Calvin. Ocorrem três tipos de fotossíntese em plantas: fixação de carbono em plantas C3, fixação de carbono em plantas C4 e fotossíntese CAM. Estes tipos de fotossíntese diferem na via que o CO2 toma até ao ciclo de Calvin: as plantas C3 fixam o CO2 diretamente, enquanto que as C4 e CAM incorporam-no noutros compostos de forma a adaptar a condições de alta luminosidade e dessecação. Algas e plantas aquáticas usam organelas chamadas pirenoides.

Os mecanismos de fixação de carbono em procariontes fotossintéticos são mais diversificados. O CO2 pode ser fixado através do ciclo de Calvin, de um ciclo dos ácidos tricarboxílicos inverso ou através da carboxilação do acetil-CoA. Procariontes quimioautotróficos também utilizam o ciclo de Calvin para a fixação de carbono mas a energia usada nas reações provém de compostos inorgânicos.

Glícidos

No anabolismo de glícidos, ácidos orgânicos simples podem ser convertidos a monossacarídeos como a glicose, sendo então usados para sintetizar polissacarídeos como o amido. A produção de glicose a partir de compostos como o piruvato, o lactato, o glicerol, o glicerol-3-fosfato e aminoácidos é designada gluconeogênese. Na gluconeogênese, o piruvato é convertido a glicose-6-fosfato usando diversos intermediários, muitos deles comuns à glicólise. No entanto, esta via não se resume a uma inversão da glicólise, pois diversos passos são catalisados por enzimas não-glicolíticas. Este é um aspecto importante pois permite a regulação separada da formação e da degradação da glicose, evitando que ambas as vias funcionem em simultâneo num ciclo fútil.

Embora a gordura seja um modo comum de armazenamento de energia, em vertebrados, como os humanos, os ácidos gordos não podem ser convertidos a glicose através da gluconeogênese, pois estes organismos são incapazes de transformar acetil-CoA em piruvato. Por essa razão, após um longo jejum os vertebrados necessitam de produzir corpos cetônicos a partir de ácidos gordos para substituir a glicose em falta em tecidos e órgãos que não conseguem metabolizar ácidos gordos, como o cérebro. Noutros organismos, como plantas e bactérias, este problema metabólico é ultrapassado utilizando o ciclo do glioxilato, que evita o passo de descarboxilação no ciclo dos ácidos tricarboxílicos e permite a transformação de acetil-CoA a oxaloacetato, que pode ser então utilizado na produção de glicose.

Os polissacarídeos e os glicanos são sintetizados através da adição sequencial de monossacarídeos, catalisada por glicosiltransferases, de um doador de açúcar fosforilado como o difosfato de uridina-glicose (UDP-glicose) para um grupo hidroxilo aceitador no polissacarídeo nascente. Como qualquer um dos grupos hidroxilo da estrutura do substrato podem ser aceitadores, os polissacarídeos podem ter estruturas lineares ou ramificadas.

Os polissacarídeos podem desempenhar funções estruturais ou metabólicas, podendo também ser transferidos para lípidos e proteínas pelas enzimas oligossacariltransferases.

Ácidos gordos, isoprenóides e esteróides

Os ácidos gordos são sintetizados pelas sintases de ácido gordo, que polimerizam e reduzem unidades de acetil-CoA. As cadeias acilo dos ácidos gordos são aumentadas através de um ciclo de reações que adicionam o grupo acilo, reduzem-no à forma álcool, desidratam este a um grupo alceno, sendo este finalmente reduzido a um grupo alcano. As enzimas envolvidas na biossíntese de ácidos gordos encontram-se divididas em dois grupos: em animais e fungos todas estas reações são catalisadas por uma proteína multifuncional (tipo I), enquanto que em plantas e bactérias diferentes enzimas catalisam as diversas reações (tipo II).

Os terpenos e os isoprenóides são uma classe de lípidos, incluindo os carotenóides, sendo a maior classe de produtos naturais vegetais. Estes compostos são sintetizados através da montagem e modificação de unidades de isopreno doadas pelas moléculas precursoras pirofosfato de isopentenilo e pirofosfato de dimetilalilo. Estes precursores podem ser obtidos de diferentes formas. Em animais e arqueas, a via do mevalonato produz estes compostos a partir do acetil-CoA,enquanto que plantas e bactérias existe uma via alternativa ( do não-mevalonato) que utiliza piruvato e 3-fosfato de gliceraldeído como substratos.

Uma reação importante que utiliza estes doadores de isopreno é a síntese de esteróides. Nesta, as unidades de isopreno são unidas formando esqualeno; este é então convertido a lanosterol. O lanosterol pode ser então convertido a outros esteróides, como o colesterol e o ergosterol.

Proteínas

Diferentes organismos possuem diferentes capacidades de sintetizar os vinte aminoácidos mais comuns. A maioria das bactérias e plantas conseguem sintetizar todos os vinte aminoácidos; os mamíferos conseguem sintetizar apenas dez, denominados não-essenciais por esta razão. Assim, os aminoácidos essenciais têm de ser obtidos através da alimentação. Todos os aminoácidos são sintetizados a partir de intermediários da glicólise, do ciclo dos ácidos tricarboxílicos ou da via das pentoses-fosfato; o azoto não existente nestes intermediários é fornecido pelo glutamato ou pela glutamina. A síntese dos aminoácidos depende da formação do alfa-cetoácido apropriado, que sofre então transaminação para formar um aminoácido.

Os aminoácidos são utilizados na síntese de proteínas, ao serem ligados entre si por ligações peptídicas numa cadeia linear. Os aminoácidos podem ser ligados num número de combinações quase infinito, fazendo com que cada proteína tenha uma sequência única de aminoácidos, denominada estrutura primária. As proteínas são sintetizadas a partir de aminoácidos ativados através de uma ligação éster a uma molécula de ARN de transferência (ARNt ou tRNA). Estes aminoácidos ativados, os aminoacil-tRNA, são sintetizados pela aminoacil-tRNA sintetase, numa reação dependente da presença de ATP. Os ribossomas atuam então no aminoacil-tRNA, agregando-o à cadeia polipeptídica nascente, segundo a informação dada pelo ARN mensageiro.

Síntese de nucleótidos

Os nucleótidos são sintetizados a partir de aminoácidos, dióxido de carbono e ácido fórmico em vias metabólicas que requerem grandes quantidades de energia. As purinas são sintetizadas a partir de nucleósidos (bases ligadas à ribose). Tanto a adenina como a guanina são sintetizadas a partir do precursor monofosfato de inosina, que por sua vez é sintetizado usando átomos provenientes dos aminoácidos glicina, glutamina e aspartato, assim como de formato transferido pela coenzima tetra-hidrofolato. As pirimidinas são sintetizadas a partir da base orotato, formada a partir da glutamina e do aspartato.

Fonte: wikipédia