bioquímica: Metabolismo

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Metabolismo
É a soma das alterações químicas catalisadas por enzimas que:
 - Obtêm energia capturando-a da energia solar ou pela degradação de nutrientes; 
- Transformam nutrientes em moléculas essenciais para a célula, incluindo precursores de macromoléculas; 
- Polimerizam monômeros para formar macromoléculas (ácidos nucleicos, proteínas, polissacarídeos); 
- Sintetizam ou degradam moléculas para funções especializadas (lipídios de membrana, mensageiros intracelulares, pigmentos, etc.).
As milhares de reações produzem “intermediários metabólicos” ou “metabólitos”. As reações e os metabólitos são representados em “mapas metabólicos” (relações entre metabólitos e vias principais).
Cerca de 80% dos metabólitos têm finalidade ou uso limitado na célula; o resto apresenta várias destinações. 
Torna-se essencial a regulação de algumas enzimas obedecendo às necessidades de energia e nutrientes da célula e/ou do organismo.
O metabolismo dá suporte à evolução: A maioria absoluta dos organismos tem o mesmo conjunto básico de vias metabólicas, evidência de que surgiram em procariontes primitivos. Dessa forma, as vias metabólicas surgiram e não sofreram alterações. Ex: glicólise.
Diversidade metabólica ocorre de acordo com a fonte de energia: 
Os organismos Fototróficos usam a energia luminosa;
Os organismos Quimiotróficos usam moléculas orgânicas ou inorgânicas.
A diversidade metabólica dos organismos é classificada de acordo com as suas necessidades de carbono:
Autotróficos (usam o CO2) 
Heterotróficos (outras fontes de C como a glicose) 
Ou seja, a classificação é feita em 4 categorias:
Fotoautotróficos: organismos que utilizam a luz como fonte de energia e o carbono é retirado do CO2. 
Ex: plantas verdes, algas, cianobactérias, bactérias fotossintetizantes na presença de luz.
Fotoheterotróficos: organismos que utilizam a luz como fonte de energia, mas retiram o carbono de compostos orgânicos. 
Ex: bactérias (Halobacterium halobium).
Quimioautotróficos: organismos que têm como fonte de energia reações de óxido-redução e retiram o carbono do CO2. 
Ex: bactérias nitrificantes e bactérias de H, S e Fe. 
Quimioheterotróficos: organismos que têm como fonte de energia reações de óxido-redução e retiram o carbono de compostos orgânicos. 
Ex: todos os animais, a maioria dos microrganismos, tecidos vegetais não fotossintetizantes e fotossintetizantes (no escuro). 
Classificação das vias metabólicas:
- Catabolismo: É a degradação de moléculas complexas (ricas em energia), como polissacarídeos, proteínas e lipídeos (triacilgliceróis), em CO2, H2O, lactato, etanol, ureia, amônia, etc. através de reações de oxidação (retirada de elétrons pelas oxidoredutases) utilizando coenzimas como NAD+, NADH + H+, NADP, NADPH + H+, FAD e FADH2. Nesse processo ocorre liberação de energia. É um processo convergente, onde muitas moléculas convergem em poucas moléculas.
- Anabolismo: É a síntese de moléculas complexas através de precursores como aminoácidos, monossacarídeos, ácidos graxos, bases nitrogenadas (que apresentam pouca energia), através de reações de redução. Há consumo de energia, pois parte de moléculas com baixa taxa energética para formar moléculas com alta taxa energética. É um processo divergente, pois de poucos precursores formam-se muitas moléculas.
As coenzimas formam a maior parte dos ATP’s
Reações de oxidação: 
- Enzimas: oxirredutases (Classe 1). Usam sempre co-enzimas NAH+ (oxidada)/NADH + H+ (reduzida); NADP+ (oxidada) / NADPH + H+ (reduzida); FAD (oxidada)/ FADH2 (reduzida).
Soma de efeitos anabolizantes e androgênicos de esteroides anabolizantes: Aumento da LDL; Diminuição da HDL; Aumento da pressão arterial; Aumento do risco de doenças cardiovasculares; Alopecia; Infertilidade; Atrofia testicular; Arritmias cardíacas; Morte súbita; Alterações hormonais 
Mulheres: Hirsutismo; aumento do clitóris; alterações no ciclo menstrual.
Anabolismo e catabolismo ocorrem simultaneamente e são regulados separadamente.
As vias metabólicas “competitivas” (contrárias) ocorrem, frequentemente, em compartimentos celulares diferentes, evitando interferências. 
Ex: A oxidação de ácidos graxos ocorre na matriz mitocondrial, enquanto a síntese de ácidos graxos ocorre no citosol.
A regulação das vias anabólicas e catabólicas:
Alostérica: Um sítio de ligação interfere no outro.
Em geral a regulação alostérica ocorre no início de uma via metabólica, através de uma enzima marcapasso que edita a velocidade da produção. Pode ocorrer também em pontos de ramificação ou “encruzilhadas metabólicas”.
A regulação alostérica permite o ajuste de vias metabólicas por metabólitos situados “adiante” ou “anteriores” à enzima regulada, às vezes proveniente de outros compartimentos subcelulares. Esse processo é reversível.
A regulação alostérica é dividida em homotrópica e heterotrópica:
• Modulação homotrópica (enzimas com estrutura quaternária): Semelhante ao que ocorre com a hemoglobina → Ocorre ligação cooperativa do substrato (interação entre as subunidades da enzima). A ligação de um substrato interfere na ligação de outra molécula do mesmo substrato. A enzima existiria em 2 estados alostéricos (ocorrem simultaneamente, mas o equilíbrio pode mudar):
- Tenso: baixa afinidade pelo substrato
- Relaxado: alta afinidade pelo substrato
• Modulação heterotrópica (enzimas monoméricas e multiméricas – moléculas diferentes): Moduladores negativos (inibidores – se liga ao estado tenso da enzima) e positivos (ativadores – se liga ao estado relaxado da enzima).
Equação para o cálculo da velocidade da reação com enzimas alostéricas:
[S] = concentração do soluto
h = cooperatividade (h = 1 para enzimas não cooperativas – monoméricas)
K0,5 ~ Km =  concentração para a qual a velocidade da reação enzimática é metade de Vmax
V = velocidade da reação
Vmax = velocidade máxima da reação
Sistemas K: Os moduladores alteram K0,5 (~Km) à esquerda ou à direita; os estados tenso e relaxado têm afinidade diferente pelo substrato (tenso tem menor afinidade e relaxado, maior afinidade).
Sistemas V: Os moduladores alteram a velocidade máxima (aumentam ou diminuem); relaxado ou tenso têm afinidade semelhante pelo substrato, porém afinidade diferente pelo ativador e inibidor, e a eficiência catalítica diferente.
Moduladores alostéricos se ligam a sítios alostéricos: processo reversível.
Modificações covalentes:
Fosforilação / Desfoforilação:
Cinases e fosfatases são reguladas por hormônios, quando uma é estimulada a outra é inibida; o efeito da fosforilação/desfosforilação depende da enzima; é um processo reversível.
Regulação simultânea da glicogênio sintase - alostérica e covalente:
Pró-enzimas ou zimogênios: processo irreversível
As enzimas proteolíticas que agem no duodeno são sintetizadas no pâncreas, que as liberam no intestino na forma de pró-enzimas (inativas). A passagem do alimento para o duodeno ativa uma protease que ativa o tripsinogênio por clivagem seletiva, liberando a tripsina (enzima ativa). Ela é capaz de ativar outras moléculas de tripsinogênio e as demais pró-enzimas:
Quimotripsinogênio → quimotripsina
Pró-elastase → elastase
Pró-carboxipeptidase → carboxipeptidase
Regulação da síntese e degradação de enzimas:
- Regulação da síntese: indução da transcrição (ativação por nutrientes);
- Repressão da síntese (ex: Trp)
- Degradação da enzima (sistema ubiquina e proteossomo)
Proteínas intracelulares são degradadas pelo sistema ubiquitina-proteossomo. Um conjunto de 3 enzimas marca a enzima alvo com a ubiquitina (76 resíduos) através de uma ligação covalente com uma cadeia lateral de lisina. O proteossomo é um conjunto de proteases (porção central) com seus sítios voltados para a cavidade interna, e 2 ‘tampas’ que são capazes de reconhecer a proteína marcada com ubiquitina. A ‘tampa’ ativa a ligação enzima-ubiquitina, desenrola a enzima, direcionando-a para o interior da porção central, onde éhidrolisada, liberando peptídeos e aminoácidos.