metabolismo celular

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METABOLISMO CELULAR
1. INTRODUÇÃO
⇒ Miríades de reações enzimaticamente catalisadas ocorrem nas 
células vivas.
⇒ Estas reações são coletivamente referidas como metabolismo.
⇒ O metabolismo é uma atividade celular altamente coordenada , com 
propósitos determinados, e na qual cooperam muitos sistemas 
multienzimáticos.
⇒ O metabolismo tem quatro funções:
• Obter energia química pela degradação de nutrientes ricos em 
energia oriundos do meio ambiente;
• Converter as moléculas dos nutrientes em unidades fundamentais 
precursoras das macromoléculas celulares;
• Reunir e organizar estas unidades fundamentais em proteínas, 
ácidos nucléicos e outros componentes celulares;
• Sintetizar e degradar biomoléculas necessárias às funções 
especializadas das células.
⇒ Embora o metabolismo celular envolva centenas de reações 
catalisadas por enzimas, as vias metabólicas centrais são em pequeno 
número e são idênticas na maioria das formas de vida.
2. AS VIAS METABÓLICAS SÃO CATALIZADAS POR 
SISTEMAS ENZIMÁTICOS SEQUÊCIAIS
⇒ As enzimas são as unidades mais simples da atividade metabólica , 
cada uma catalisando uma reação química específica.
⇒ Entretanto , o metabolismo é melhor discutido em termo seqüências 
multienzimáticas.
⇒Cada uma dessas sequências:
• Catalisa os passos sucessivos de uma dada via metabólica;
• Pode ter de 2 a 20 enzimas atuando de maneira consecutiva e 
interligada, de tal forma que o produto da primeira enzima torna-se 
substrato da segunda, o produto desta o substrato da terceira, e assim 
por diante.
⇒ Os sucessivos produtos destas transformações (B,C,D etc) são 
conhecidos como intermediários metabólicas ou metabólitos.
⇒ Cada um dos passos consecutivos nas vias metabólicas provoca 
uma mudança química pequena e específica geralmente a remoção, 
transferência ou adição de um átomo, molécula ou grupo funcional.
⇒ Através dessas mudanças químicas ordenadamente escalonadas a 
biomolécula que penetra em uma dada via é transformada em seu 
produto metabólico final.
⇒ O termo metabolisno intermediário é freqüentemente usado para 
designar as sequências específicas de intermediários envolvidos nas 
vias do metabolismo celular.
3. O METABOLISMO CONSISTE DE VIAS CATABÓLICAS 
(DEGRADATIVAS) E DE VIAS ANABÓLICAS 
(BIOSSINTETIZANTES)
⇒ O metabolismo intermediário tem duas fases: catabolismo e 
anabolismo.
⇒ O CATABOLISMO é a fase degradativa do metabolismo.
⇒ Nesta fase as moléculas orgânicas nutrientes, carboidratos, lipídios 
e proteínas provenientes do meio ambiente ou dos reservatórios de 
nutrientes da própria célula são degradados por reações consecutivas 
em produtos finais menores e mais simples.
⇒ Exemplos: ácido lático, CO2 e amônia.
⇒ O catabolismo é acompanhado pela liberação da energia livre 
inerente à estrutura complexa das grandes moléculas orgânicas.
⇒ Em certos passos de uma dada via catabólica a maior parte de 
energia livre é conservada na forma da molécula transportadora de 
energia adenosina trifosfato (ATP) , isto é conseguido através do 
acoplamento de reações enzimáticas.
⇒ Alguma energia também pode ser conservada na forma de átomos 
de hidrogênio ricos em energia transportados pela coenzima 
nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato em sua forma reduzida 
NADPH.
⇒ O ANABOLISMO também pode ser chamado de:
• Biossíntese;
• Fase sintetizante;
• Fase construtiva do metabolismo.
⇒Nesta fase as pequenas moléculas precursoras, ou unidades 
fundamentais, são reunidas para formar as grandes macromoléculas 
componentes das células.
⇒Exemplos: proteínas e ácidos nucléicos.
⇒Como a biossíntese resulta em tamanho e complexidade de 
estrutura aumentados, ela requer fornecimento de energia livre e isto é 
realizado pela quebra de ATP em ADP e fosfato.
⇒A biossíntese de alguns componentes celulares também requer 
átomos de hidrogênio ricos em energia, fornecidos pelo NADPH.
⇒O catabolismo e anabolismo ocorrem simultaneamente nas células e 
a velocidade de cada um é regulada independentemente.
4. AS VIAS CATABÓLICAS CONVERGEM PARA POUCOS 
PRODUTOS FINAIS
⇒A degradação enzimática de cada de cada um dos principais 
nutrientes celulares liberadores de energia (carboidratos, lipídios e 
proteínas ) ocorre passo a passo através de reações enzimáticas e 
consecutivas.
⇒Existem três estágios principais no catabolismo aeróbico:l, ll e lll.
⇒Estágio l
• As macromoléculas celulares são degradadas em suas unidades 
fundamentais;
• Os polissacarídeos são degradados a hexoses e pentoses ;
• Os lipídios são degradados em ácidos graxos, glicerol e outros 
componentes.
• As proteínas são hidrolisadas em seus 20 aminoácidos primários.
⇒Estágio ll
• Os vários produtos formados no estágio l são reunidos e convertidos 
em um número menor de moléculas ainda mais simples;
• As hexoses , pentoses e glicerol são degradados a um intermediário 
único com 3 átomos de carbono, o piruvato;
• O piruvato é então convertido em uma unidade de 2 carbonos, o 
grupo da acetil-coenzima A ;
• Os ácidos graxos o esqueleto carbônico dos aminoácidos são 
quebrados em grupo acetil para formar o acetil-CoA;
• O acetil-CoA é o produto final comum do estágio ll do catabolismo.
⇒Estágio lll
• O grupo acetil do acetil-CoA é introduzido no ciclo do ácido cítrico;
• Este ciclo é a via final comum através da qual a maioria dos 
nutrientes fornecedores de energia são finalmente oxidados a dióxido 
de carbono;
• Outros produtos finais do catabolismo: água e amônia (ou produtos 
nitrogenados).
ψ Importante notar:
→As vias catabólicas convergem em direção ao ciclo do ácido cítrico 
localizado no estágio lll;
→Durante o estágio l, dúzias ou mesmo centenas de proteínas 
diferentes são degradados a apenas 20 aminoácidos;
→No estágio l: muitos polissacarídeos diferentes são degradados a 
alguns açúcares simples, e estes convertidos em acetil-CoA no 
estágio ll e, finalmente , em CO2 e H2O no estágio lll;
→ No estágio ll : estes 20 aminoácidos são degradados principalmente 
em acetil-CoA e amônia (NH3);
→No estágio lll: os grupos do acetil do acetil-CoA são oxidados pelo 
ciclo do ácido cítrico a apenas dois produtos , CO2 e H2O.
5. AS VIAS BIOSSÍNTETIZANTES (ANABÓLICAS) DIVERGEM 
PARA FORMAR MUITOS PRODUTOS DIFERENTES 
⇒O anabolismo, ou biossíntese, também ocorre em três estágios e 
começa com moléculas precursoras pequenas.
⇒Exemplo: a biossíntese de proteínas.
⇒Esta biossíntese inicia-se com a formação de α-cetoácidos e outros 
precursores.
⇒No estágio seguinte os α-cetoácidos são aminados por substâncias 
doadoras de grupos amino ocorrendo a formação de α-aminoácidos.
⇒Assim como o catabolismo é um processo convergente, o 
anabolismo é um processo divergente, principia com poucas 
moléculas precursoras pequenas e a partir delas constrói-se uma 
grande variedade de macromoléculas.
⇒As vias anabólicas centrais têm muitas ramificações que levam a 
centenas de componentes celulares diferentes.
⇒Cada um dos estágios principais no catabolismo e no anabolismo 
em uma dada biomolécula é catalisado por um sistema 
multienzimático.
⇒As transformações químicas consecutivas que ocorrem em cada 
uma das rotas metabólicas centrais do metabolismo são virtualmente 
idênticas em todas as formas de vida.
⇒Exemplo: o catabolismo da D-glicose em ácido pirúvico é realizado 
através dos mesmos intermediários químicos e do mesmo número de 
reações na maioria dos organismos vivos.
6. EXISTEM DIFERENÇAS IMPORTANTES ENTRE AS VIAS 
CATABÓLICAS E ANABÓLICAS CORRESPONDENTES
⇒As vias catabólica e anabólica correspondentes e opostamente 
direcionadas entre uma dado precursor e um dado produto geralmente 
não são idênticas.
⇒Elas podem usar intermediários diferentes ou reaçõesenzimáticas 
diferentes nos passos intermediários.
⇒Exemplo: no fígado uma sequência de 11 enzimas específicas 
catalisa os passos sucessivos da degradação da glicose em ácido 
pirúvico.
⇒Embora possa parecer lógico e econômico produzir glicose a partir 
de ácido pirúvico por simples reversão de todos os passos enzimáticos
empregados na quebra da glicose, a síntese da glicose no fígado 
ocorre de maneira diferente.
⇒Ela emprega apenas 9 dos 11 passos enzimáticos usados na 
degradação da glicose, os outros 2 passos são substituídos por um 
conjunto inteiramente diferente de reações enzimáticas e que ocorrem 
apenas na direção de síntese da glicose.
⇒Pode parecer um desperdício a existência de duas vias metabólicas 
entre apenas dois pontos, uma catabólica e outra anabólica, mais 
existem razões importantes que justificam a existência de ambas.
⇒1ª RAZÃO: A via tomada para a degradação de uma biomolécula 
pode ser energicamente proibida para a biossíntese da mesma.
⇒A degradação de uma molécula orgânica complexa é, usualmente, 
um processo “morro abaixo”, ocorrendo com perca de energia livre, 
enquanto a sua biossíntese é um processo “morro acima”, requerendo 
o fornecimento de energia.
⇒2ª RAZÃO: As duas vias precisam ser reguladas de forma 
independente.
⇒Caso apenas uma via fosse usada reversivelmente em ambos os 
sentidos a desaceleração da via catabólica pela inibição de uma de 
suas enzimas desacelera também o processo biossintético 
correspondente.
⇒A regulação independente somente é possível quando as vias 
opostas são completamente diferentes.
⇒Quase toda as reações metabólicas são, em última instância, 
interligadas, pois o produto de uma reação enzimática torna-se 
substrato da reação seguinte dentro das sequências consecutivas de 
reações.
⇒De fato, podemos falar do metabolismo como sendo uma rede de 
reações catalisadas enzimaticamente, dotada de extrema 
complexidade.
⇒Cada uma das vias centrais do metabolismo, anabólica ou 
catabólica, pode ajustar sua velocidade de fluxo às necessidades do 
momento vivido pela economia celular.
⇒Ainda mais, parece que também as reações anabólicas e 
catabólicas estão ajustadas para ocorrerem da forma mais econômica 
possível, isto é, com desperdício mínimo de matéria e energia.
7. O ATP TRANSPORTA ENERGIA DAS REAÇÕES CATABÓLICAS 
ATÉ AS REAÇÕES ANABÓLICAS
⇒Moléculas nutrientes complexas como a glicose contém muita 
energia potencial devido ao seu alto grau de organização estrutural.
⇒Quando a molécula de glicose é degradada por oxidação a seus 
produtos finais simples e pequenos, CO2 e H2O, uma grande 
quantidade de energia livre torna-se disponível.
⇒A energia livre é a forma de energia capaz de produzir trabalho sob 
condições de pressão e temperatura constantes.
⇒Entretanto, se não houver alguma forma de capturar ou conservar a 
energia livre liberada na ocasião da oxidação da glicose, ela aparecerá 
apenas na forma de calor.
⇒Uma grande parte de energia liberada da glicose e de outros 
combustíveis celulares durante seu catabolismo é conservada pelo 
acoplamento da síntese de adenosina trifosfato (ATP) a partir de 
adenosina difosfato (ADP) e fosfato orgânico (Pi).
⇒Essas substâncias, ATP, ADP e Pi, estão presentes em todas as 
células vivas e atuam como sistema transmissor de energia universal.
⇒A energia química assim conservada na forma de ATP pode realizar 
trabalho de quatro formas diferentes:
•Pode prover a energia necessária para o trabalho químico de 
biossíntese;
•É também a fonte de energia para a motilidade celular ou para a 
contração.
•A energia do ATP é também usada de forma engenhosa para 
assegurar a acurada transferência da informação genética durante a 
biossíntese do DNA, do RNA e de proteínas.
8. O METABOLISMO CELULAR É UM PROCESSO ECONÔMICO 
ESTREITAMENTE REGULADO
⇒O metabolismo celular parece operar de acordo com o princípio de 
economia celular.
⇒A velocidade global do catabolismo liberador de energia é 
controlada pelas necessidades celulares de energia na forma de ATP 
e de NADPH, e não pela simples disponibilidade ou concentração de 
combustíveis.
⇒Muitos animais e plantas podem armazenar nutrientes fornecedores 
de energia ou de átomos de carbono, tais como gorduras e 
carboidratos, entretanto, em geral, eles não podem armazenar 
proteínas, ácidos nucléicos, ou biomoléculas fundamentais simples, 
que são produzidos quando necessários e nas quantidades 
requeridas.
⇒As sementes das plantas e as células-ovo são exceções. 
Freqüentemente elas contêm grandes quantidades de proteínas 
armazenadas que servirão como fonte dos aminoácidos necessários 
para o crescimento dos embriões.
⇒As vias catabólicas são muito sensíveis, prontas a reagir às 
flutuações das necessidades energéticas.
⇒Os mecanismos reguladores das vias metabólicas centrais; 
particularmente daquelas que liberam energia na forma de ATP, são 
capazes de responder às necessidades metabólicas de forma rápida e 
muito sensível.
9. METABOLISMO SECUNDÁRIO
⇒Como vimos, as vias metabólicas centrais são aquelas nas quais os 
grandes nutrientes celulares, carboidratos, gorduras e proteínas são 
transformados.
⇒Nestas vias centrais o fluxo de metabólitos é relativamente grande.
⇒Existem, entretanto, outras vias metabólicas nas quais o fluxo é 
muito menor, envolvendo a formação ou degradação de substâncias 
em termos de apenas miligramas/dia.
⇒Estas vias constituem o metabolismo secundário das células, 
envolvendo produtos especializados e requeridos por elas apenas em 
pequenas quantidades.
⇒As vias secundárias levam as centenas de biomoléculas altamente 
especializadas como pigmentos , nucleotídeos, toxinas , antibióticos e 
alcalóides.
⇒As vias metabólicas secundárias estão envolvidas, por exemplo, na 
biossíntese de coenzimas e hormônios utilizados, apenas, em 
microquantidades.
⇒Embora tais substâncias sejam muito importantes para a vida dos 
organismos que as produzem e cada uma delas tem um propósito 
biológico específico, elas são sintetizadas por vias secundárias que 
nem sempre são conhecidas em detalhes.
10. NAS CÉLULAS AS VIAS METABÓLICAS SÃO 
COMPARTIMENTALIZADAS
⇒Sabemos que existem duas grandes classes de células: procariotos 
eucariotos.
⇒As células procarióticas não contêm compartimentos separados por 
membranas internas, embora ocorra algum grau de segregação de 
certos sistemas enzimáticos nas bactérias.
⇒As células eucarióticas incluem as células dos vegetais e animais 
superiores, bem como as dos fungos, protozoários e algas superiores, 
que são muito maiores e mais complexas do que as células 
procarióticas.
⇒Nas células eucarióticas as enzimas que catalisam as vias 
metabólicas estão frequentemente localizadas em uma organela ou 
compartimento específico.
⇒Vias metabólicas diferentes ocorrem em diferentes locais das 
células eucarióticas.
⇒Exemplo: toda a sequência de enzimas responsável pela conversão 
de glicose em lactato, em algumas células, está localizada no citossol, 
a porção solúvel do citoplasma celular, enquanto que as enzimas do 
ciclo do ácido cítrico estão localizadas nas mitocôndrias, organelas 
onde também estão localizadas as enzimas do transporte de elétrons 
e aquelas responsáveis pela conservação da energia de oxidação na 
forma de ATP.
⇒Nas células eucariontes as reações de oxidação dos intermediários 
carregadores de hidrogênio, NADPH e FADH, isto na cadeia 
transportadora de elétrons, ocorre nas cristas mitocondriais; quando 
nas células procatóticas ocorrem nosmesossomos.