METABOLISMO E BIOENERGÉTICA

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METABOLISMO E BIOENERGÉTICA
- atividade celular altamente coordenada, em que muitos sistemas multienzimáticos
(vias metabólicas) cooperam para (1) obter energia química capturando energia solar
ou degradando nutrientes energeticamente ricos obtidos do meio ambiente; (2)
converter as moléculas dos nutrientes em moléculas com características próprias de
cada célula, incluindo precursores de macromoléculas; (3) polimerizar precursores
monoméricos em macromoléculas (proteínas, ácidos nucléicos e polissacarídeos); e
(4) sintetizar e degradar as biomoléculas necessárias para as funções celulares
especializadas, como lipídeos de membrana, mensageiros intracelulares e pigmentos;
-Nos processos metabólicos, e em todas as transformações energéticas, existe uma
perda de energia útil (energia livre) e um aumento inevitável na quantidade de
energia não utilizável (calor e entropia). Ao contrário da reciclagem de matéria,
portanto, a energia flui em uma direção através da biosfera; os organismos não
conseguem reciclar energia útil a partir da energia dissipada na forma de calor e
entropia. Carbono, oxigênio e nitrogênio são reciclados continuamente, mas energia
é constantemente transformada em formas não utilizáveis, como o calor;
-metabolismo: a soma de todas as transformações químicas que ocorrem em uma
célula ou em um organismo, ocorre por meio de uma série de reações catalisadas por
enzimas que constituem as vias metabólicas. Cada uma das etapas consecutivas em
uma via metabólica produz uma pequena alteração química específica, em geral a
remoção, a transferência ou a adição de um átomo particular ou um grupo funcional.
O precursor é convertido em um produto por meio de uma série de intermediários
metabólicos chamados de metabólitos. O termo metabolismo intermediário
frequentemente é aplicado às atividades combinadas de todas as vias metabólicas
que interconvertem precursores, metabólitos e produtos de baixo peso molecular;
-catabolismo: é a fase de degradação do metabolismo, na qual moléculas
nutrientes orgânicas (carboidratos, gorduras e proteínas) são convertidas em
produtos finais menores e mais simples (como ácido láctico, CO2 e NH3). As vias
catabólicas liberam energia, e parte dessa energia é conservada na forma de ATP e de
transportadores de elétrons reduzidos (NADH, NADPH e FADH2); o restante é
perdido como calor;
- anabolismo/biossíntese: precursores pequenos e simples formam moléculas
maiores e mais complexas, incluindo lipídeos, polissacarídeos, proteínas e ácidos
nucleicos. As reações anabólicas necessitam de fornecimento de energia, geralmente
na forma de potencial de transferência do grupo fosforil do ATP e do poder redutor
de NADH, NADPH e FADH2;
-Algumas vias metabólicas são lineares e algumas são ramificadas, gerando múltiplos
produtos finais úteis a partir de um único precursor ou convertendo vários
precursores em um único produto;
➔ BIOENERGÉTICA
-estudo quantitativo das transduções energéticas que ocorrem em células vivas –
mudança de uma forma de energia a outra – bem como da natureza e da função dos
processos químicos envolvidos nessas transduções.
-retrata a bioenergia e suas transformações ligadas aos fenômenos biológicos,
utilizando-se de leis e princípios físicos da termodinâmica aplicados aos seres vivos.
-preside a todas as manifestações vitais, tudo que exprime trabalho só pode ser
realizado mediante as transformações energéticas;
“ Organismos vivos existem em um estado dinâmico estável, nunca em equilíbrio
com o meio ambiente ”
(quer dizer que os organismos mesmo diante de mudanças do ambiente, eles
conseguem se manterem estáveis e dinâmicos, por meio da homeostase, através de
processos fisiológicos, temperatura corporal, suor, concentração da urina, a pressão
arterial, etc.)
“ Organismos vivos consistem de uma coleção de moléculas , cujo grau de
organização é muito maior que o dos componentes do seu meio ambiente a partir dos
quais eles são formados, e os organismos produzem e mantém a organização,
aparentemente ignorando a 2° lei da termodinâmica ”.
-sistemas biológicos jamais atingem o equilíbrio com o seu meio ambiente, e a
constante interação entre o sistema e o meio explica como os organismos podem se
auto-organizar enquanto operam de acordo com a segunda lei da termodinâmica;
-embora a composição característica de um organismo sofra pequenas mudanças ao
longo do tempo, a população de moléculas dentro do mesmo está longe de ser
estática. Pequenas moléculas, macromoléculas e complexos supramoleculares são
continuamente sintetizados e dps quebrados nas reações químicas, que envolvem um
fluxo constante de massa e de energia através do sistema.
-células são sistemas isotérmicos – funcionam em temperaturas constantes (e
também em pressão constante).
O fluxo de calor não é uma fonte de energia para as células, já que o calor é capaz de
realizar trabalho somente quando passa por uma região ou por um objeto com
temperatura inferior >> A energia que as células podem e devem utilizar é a energia
livre, uma função da energia livre de Gibbs, G, que permite predizer o sentido das
reações químicas, sua posição de equilíbrio exata, e a quantidade de trabalho que
elas podem (em teoria) realizar em temperatura e pressão constantes.
-As células heterotróficas adquirem energia livre a partir das moléculas de
nutrientes, e as células fotossintetizantes adquirem energia livre da radiação solar
absorvida. Os dois tipos de células transformam essa energia livre em ATP e em
outros compostos ricos em energia, capazes de fornecer energia para a realização de
trabalho biológico em temperatura constante;
-Todas as reações químicas são influenciadas por duas forças: a tendência de atingir
o estado de ligação mais estável (para o qual a entalpia, H, é uma expressão útil) e a
tendência de atingir o mais alto grau de desordem, expresso pela entropia, S. A força
motriz líquida de uma reação é o DG, a variação de energia livre, que representa o
efeito líquido desses dois fatores: DG 5 DH 2 TDS.
-seres vivos transformam matéria e energia do meio ambiente;
-estas transformações(seres vivos) são provenientes da degradação metabólica
principalmente de carboidratos e gorduras;
-carboidratos são metabolizados pela glicólise e pelo ciclo de krebs e as gorduras,
apenas, pelo ciclo de krebs;
➔ SERES VIVOS
-organismo vivo é um sistema aberto, pois ele troca matéria e energia com o
ambiente;
-obtém energia do ambiente de duas maneiras: através de combustíveis químicos do
ambiente (como a glicose); ou eles absorvem luz proveniente da luz solar;
➔ CONCEITOS
-Sistema: as reações químicas que ocorrem em solução, pode-se definir como
sistema;
nesse caso, todos os reagentes e produtos atuais, o solvente que os contém, e a atm
imediata em suma, tudo que compõe uma região definida de espaço;
-Ambiente: constituído pelo espaço ao redor;
-Universo: constituído pelo sistema e o ambiente;
-Sistema isolado: não troca nem matéria nem energia com o ambiente;
-Sistema fechado: troca energia, mas não matéria com o ambiente;
-Sistema aberto: troca energia e matéria com o ambiente;
-As transformações biológicas de energia obedecem às leis da termodinâmica, 3:
1. Princípio da conservação de energia - para qualquer mudança física ou
química, a quantidade total de energia no universo permanece constante; a
energia pode mudar de forma ou pode ser transportada de uma região para
outra, mas não pode ser criada ou destruída.
2. O universo sempre tende para desordem - em todos os processos naturais, a
entropia do universo aumenta.
3. Por leis físicas a energia não pode ser criada , apenas transformada - sem ela
não há realização de trabalho, ou seja, supondo que uma célula não tenha
energia, esta perde suas funções vitais ocasionando sua morte;
➔ Parâmetros termodinâmicos
-descrevem as trocas de energia que ocorrem em reações químicas;
1. Energia livre de Gibbs, G - expressa a quantidade de energia capaz de realizartrabalho durante uma reação à temperatura e pressão constantes. Quando
uma reação ocorre com a liberação de energia livre
1
(ou seja, quando o sistema
se transforma de modo a possuir menos energia livre), a variação da energia
livre, DG, possui um valor negativo e a reação é chamada de exergônica. Nas
reações endergônicas, o sistema adquire energia livre e o Delta G é positivo.
2. Entalpia, H - é o conteúdo de calor do sistema reagente; reflete o número e o
tipo de ligações químicas nos reagentes e produtos.
Quando uma reação química libera calor, ela é exotérmica; o conteúdo de
calor dos produtos é menor do que o dos reagentes, e Delta H possui, por
convenção, um valor negativo.
Os sistemas reagentes que captam calor do meio são endotérmicos e
possuem valores positivos de Delta H;
3. Entropia, S - é uma expressão quantitativa da aleatoriedade ou desordem de
um sistema; Quando os produtos de uma reação são menos complexos e mais
desordenados do que os reagentes, a reação ocorre com ganho de entropia;
A organização produzida dentro das células, à medida que elas crescem e se
dividem, é mais do que compensada pela desordem gerada no meio no curso
do crescimento e da divisão;
4. Em resumo, os organismos vivos preservam sua organização interna por
captarem a energia livre do meio na forma de nutrientes ou luz solar, e
devolverem a ele uma quantidade de energia igual, na forma de calor e
entropia.
1 energia livre de uma molécula é a energia potencial armazenada em suas ligações químicas;
-Sob as condições existentes nos sistemas biológicos (incluindo temperatura e
pressão constantes), as variações de energia livre, entalpia e entropia estão
quantitativamente relacionadas pela equação:
DG = DH - TDS
D= delta; variação;
DG= variação da energia livre de Gibbs do sistema reagente
DH = é a variação da entalpia do sistema
T= é a temperatura absoluta
DS = variação na entropia do sistema
Por convenção, DS possui sinal positivo quando a entropia aumenta, e DH possui
sinal negativo quando o sistema libera calor para o meio;
➔ ATP
- é a conexão química entre catabolismo e anabolismo.
- moeda energética das células vivas.
-A conversão exergônica de ATP em ADP e Pi , ou em AMP e 2PPi , está acoplada a
muitas reações e processos endergônicos.
-A hidrólise direta de ATP é a fonte de energia em alguns processos impulsionados
por mudanças conformacionais, mas em geral não é a hidrólise de ATP e sim a
transferência de um grupo fosforil, pirofosforil ou adenilil do ATP a um substrato ou
a uma enzima que acopla a energia da quebra do ATP às transformações
endergônicas de substratos.
- Por meio dessas reações de transferência de grupo, o ATP fornece energia para as
reações anabólicas, incluindo a síntese de macromoléculas informacionais, e para o
transporte de moléculas e íons através das membranas contra gradientes de
concentração e de potencial elétrico.
-Para manter seu elevado potencial de transferência de grupos, a concentração de
ATP deve ser mantida muito acima da concentração de equilíbrio das reações
geradoras de energia do catabolismo.
- polifosfato inorgânico, presente em todas as células, pode atuar como um
reservatório de grupos fosforil com elevado potencial de transferência de grupos.
-As células contêm outros metabólitos com energia livre de hidrólise elevada e
negativa, incluindo fosfoenolpiruvato, 1,3-bifosfoglicerato e fosfocreatina. Esses
compostos de alta energia, como o ATP, possuem elevado potencial de transferência
de grupos fosforil. Os tioésteres também possuem elevada energia livre de hidrólise.
-células heterotróficas obtêm energia livre de forma química pelo catabolismo de
moléculas de nutrientes, e elas usam essa energia para fazer ATP a partir de ADP e Pi
. O ATP, então, doa parte da sua energia química para processos endergônicos ;
- concentrações de ATP, ADP e Pi diferem de um tipo de célula para a outra;
-não são meramente as propriedades químicas intrínsecas da molécula que dão ao
ATP (moeda de energia) essa capacidade de direcionar as reações metabólicas e
outros processos que requerem energia. Ainda mais importante é que, ao longo da
evolução, ocorreu uma pressão de seleção muito forte a favor de mecanismos
regulatórios que mantenham as concentrações de ATP muito abaixo das
concentrações de equilíbrio da reação de hidrólise. Quando o nível de ATP diminui,
não apenas a quantidade de combustível diminui, mas o combustível por si só perde
seu potencial: o DG da sua hidrólise (ou seja, seu potencial de fosforilação, DGp) está
diminuído - as células vivas desenvolveram mecanismos elaborados – o que
frequentemente pode nos parecer à custa de eficiência e de bom senso – para manter
altas concentrações de ATP;
- hidrólise de ATP por de per si geralmente realiza nada mais do que a liberação de
calor, que não pode impulsionar um processo químico em um sistema isotérmico. As
reações representadas por setas simples, quase sempre indicam um processo em
duas etapas em que parte da molécula de ATP, ou seja, um grupo fosforil ou
pirofosforil ou a porção adenilato (AMP), é primeiro transferida para uma molécula
de substrato ou para um resíduo de aminoácido de uma enzima, tornando- -se
covalentemente acoplada ao substrato ou à enzima, aumentando, dessa forma, seu
conteúdo de energia livre. Em seguida, em uma segunda etapa, a porção com fosfato
transferida na primeira etapa é deslocada, gerando Pi , PPi ou AMP. Assim, o ATP
participa covalentemente da reação enzimática, para a qual ele fornece energia livre.
-alguns processos envolvem a hidrólise direta do ATP (ou GTP);
ex. ligação não covalente de ATP (ou GTP), seguida da sua hidrólise a ADP (ou GDP)
e Pi , pode fornecer a energia para promover a alternância de algumas proteínas
entre duas conformações, produzindo movimento mecânico. Isso ocorre na
contração muscular e no movimento de enzimas ao longo do DNA ou no
deslocamento dos ribossomos ao longo do RNA mensageiro;
-As reações do ATP geralmente são substituições nucleofílicas SN2 em que o
nucleófilo pode ser, por exemplo, o oxigênio de um álcool ou de um carboxilato, ou
um nitrogênio da creatina ou da cadeia lateral de arginina ou histidina.
-Os três fosfatos do ATP são suscetíveis ao ataque nucleofílico, e cada posição de
ataque resulta em um tipo diferente de produto.
-capaz de fornecer energia para transportar um íon ou uma molécula, por uma
membrana, para outro compartimento aquoso, onde sua concentração é mais
elevada. Os processos de transporte são os principais consumidores de energia; nos
rins e no cérebro humano, por exemplo, dois terços da energia consumida quando
em repouso são usados para bombear Na1 e K1 através da membrana plasmática por
meio da Na1K1 – ATPase. O transporte de Na1 e K1 é movido por fosforilação e
desfosforilação cíclica da proteína transportadora, sendo o ATP o doador de grupo
fosforil. A fosforilação dependente de Na1 da Na1K1-ATPase induz uma alteração na
conformação da proteína, e a desfosforilação dependente de K1 favorece o retorno à
conformação original. Cada ciclo no processo de transporte resulta na conversão de
ATP em ADP e Pi , sendo a variação da energia livre da hidrólise do ATP responsável
pelas alterações cíclicas na conformação da proteína que resultam no bombeamento
eletrogênico de Na1 e K;