Introdução ao Metabolismo

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Aula 5: Introdução ao Metabolismo
Conceitos: Os organismos vivos são sistemas abertos, ou seja, estão presentes em um meio ambiente específico, mas não são isolados deste.
Isso significa que os organismos são capazes de trocar energia e matéria com seu meio circundante, independentemente de sua complexidade, seja ele uma bactéria, que é um ser unicelular, ou um ser humano, que é multicelular. 
Nesse caso, esses seres precisam realizar trabalho para se manter vivos e se reproduzir. Isso requer a entrada de energia, que pode ser obtida de dois modos:
1 Organismos fototróficos
· Luz solar. Exemplo: plantas e cianobactérias;
2 Organismos quimiotróficos
· Oxidação de combustíveis químicos. Exemplo: seres humanos.
Existe, dentro das células, um fluxo de elétrons nas reações de oxido-redução, em que um reagente é oxidado (perde elétrons) enquanto, simultaneamente, outro reagente é reduzido (ganha elétrons). 
Quando consumimos glicose na alimentação, ela vai sendo oxidada até a formação de dióxido de carbono e água, e liberação de energia na forma de ATP. 
Metabolismo é o somatório de todas as reações químicas de um organismo.
As milhares de reações químicas que ocorrem no organismo dependem de enzimas para catalisá-las, de modo que possam acontecer em tempo hábil para manutenção da vida. 
Nosso organismo estruturou essas reações de forma sequencial: o produto de uma reação se torna o reagente ou substrato da reação seguinte.
Essa organização é chamada de rota metabólica.
Na figura 1, observamos um desenho artístico do mapa metabólico simplificado e na figura 2, uma analogia entre o mapa metabólico e um mapa do metrô. Observe que existe um número enorme de vias que se interconectam.
Saiba mais
Metabolismo é:
“O conjunto de processos físicos e de reações que ocorrem em um sistema vivo e resulta na montagem ou quebra de moléculas complexas. É constituído por reações anabólicas e catabólicas.”  
Nosso metabolismo é dividido em reações anabólicas e catabólicas.  
Reações anabólicas: Esse tipo de reação que consome energia é conhecida como endergônica, sendo termodinamicamente desfavorável. Para que esse tipo de reação ocorra, as moléculas estão associadas a reações que liberam energia. 
A energia utilizada provém da quebra da molécula de adenosina trifosfato (ATP), conhecido como nossa molécula energética. 
Quando o ATP é hidrolisado, quebrado em ADP e fosfato inorgânico, há a liberação de energia que impulsiona as reações de síntese. 
A estrutura do ATP pode ser observada na figura 3. Além do ATP, temos as moléculas adenosina difosfato (ADP) ou monofosfato (AMP). Observe que ele possui três grupos fosfato e, quando essas ligações são quebradas, há liberação de energia. Como mostrado na figura 4.
Reações catabólicas: São reações de quebra ou de degradação, em que moléculas maiores e mais complexas são transformadas em moléculas simples.
Nesses casos, as reações liberam energia para o meio, conhecidas como exergônicas, e essa energia é, normalmente, armazenada na forma de ATP e de transportadores de elétrons reduzidos como o NADH ou FADH2.
· Um exemplo são as rotas que degradam os nutrientes provenientes da alimentação. A glicose no metabolismo será convertida, através de várias rotas, em CO2 e H2O e liberação de ATP. São exemplos de rotas catabólicas glicólise e glicogenólise.
 Podemos observar no esquema apresentado anteriormente que a obtenção de energia a partir dos alimentos ocorre em estágios. 
Etapa inicial - Digestão
as moléculas maiores, polímeros, são digeridas em seus componentes menores, monômeros. Proteínas são quebradas em aminoácidos; polissacarídeos, como o amido, são quebrados em acúcares mais simples em moléculas de glicose (monossacarídeo); lipídeos, como os triglicerídeos, são convertidos em ácidos graxos e glicerol. Nesse estágio não há ganho de energia. 
Segundo estágio - Absorção
Após absorção pelas células intestinais e distribuição para o organismo, as moléculas menores são convertidas em intermediários importantes do metabolismo e algum ATP, como o acetil-CoA, mostrado no esquema. 
Último estágio - Oxidação
Há oxidação completa da molécula pelas rotas metabólicas do ciclo de Krebs e a fosforilação oxidativa, também chamada cadeia respiratória. Mais ATP é produzido.
O catabolismo é um processo convergente, as vias catabólicas convergem para poucos produtos finais, diferentemente do anabolismo que é divergente, ocorre a síntese de muitas biomoléculas diferentes. 
Na figura 5, vimos várias vias convergindo para a produção de Acetil-CoA e depois seguindo vias comuns. As reações anabólicas e catabólicas devem estar organizadas de modo que não ocorram simultaneamente em um mesmo órgão. 
Exemplo
Se há abundância de energia após uma refeição, o fígado interrompe o catabolismo da glicose e inicia o processo de anabolismo, convertendo a glicose em glicogênio, seu polímero de reserva no organismo. Já após um período de jejum, quando há baixa de energia, iniciamos o catabolismo de glicogênio em glicose e, posteriormente glicose em outros produtos para a obtenção de energia para as células na forma de ATP. 
Algumas vias são tanto catabólicas quanto anabólicas.
RESUMO
São funções do nosso metabolismo:
01 Obter energia química, capturando energia solar ou degradando nutrientes;
02 Converter moléculas dos nutrientes em precursores de macromoléculas, que podem ser utilizados pelas nossas células;
03 Sintetizar as macromoléculas necessárias ao organismo;
04 Sintetizar e degradar biomoléculas de acordo com a necessidade celular.
Tipos de vias metabólicas: Muitas reações químicas que ocorrem nas células são reações acopladas. Além disso, muitas vezes, a energia liberada em uma reação é utilizada para a realização da reação posterior. Observe os principais tipos de vias ou rotas metabólicas.Vias Cíclicas
O ciclo de Krebs, neste tipo de rota, um composto inicial da via é regenerado após uma série de reações que converte outro componente inicial em um produto.
 Vias lineares
Várias vias são lineares, como a via glicolítica. Nessas vias, existe um substrato inicial e um produto final. Nas etapas intermediárias, o produto de uma reação é o substrato da seguinte
 
 
 
 
 
 Todas as etapas dessas vias são catalisadas por enzimas, que podem estar separadas entre si, formar complexos multienzimáticos e formar sistemas associados a membranas.
 
Regulação do metabolismo:  A primeira regra básica do metabolismo é que a síntese e a degradação de determinada molécula não podem ocorrer simultaneamente na mesma célula ou tecido. 
O modo como o organismo encontrou para controlar essas rotas metabólicas é que elas devem utilizar enzimas distintas e ocorrer em compartimentos celulares diferentes. Observe esquema ao lado. 
As várias rotas metabólicas também possuem enzimas marcapasso, conhecidas como enzimas reguladoras. Essas enzimas podem controlar a velocidade das reações químicas por diversos processos. 
 Algumas enzimas são reguladas por adição de um grupamento fosfato ou fosforilação e, dependendo da enzima, ela pode estar ativada ou inibida quando fosforilada.  
Exemplo
A enzima glicogênio sintase, envolvida na síntese de glicogênio a partir de glicose, quando está fosforilada fica na sua forma inativa. 
 Para que sirva como um sistema regulatório, esse processo de fosforilação e defosforilação deve ser reversível. Normalmente, a adição ou retirada dos grupos fosfato são realizadas por enzimas diferentes. Observe o esquema ao lado em que a enzima fica ativa depois de fosforilada. 
Outras enzimas são reguladas por efetores alostéricos, que podem ser positivos ou negativos. A regulação alostérica ocorre em um sítio diferente do sítio catalítico, conforme mostra o esquema acima.
A regulação também pode ocorrer por ativação gênica. Nesse caso, um ativador gênico aumenta a síntese de determinada enzima. Observe o esquema a seguir. 
Sinalização celular e controle do metabolismo
A comunicação celular é fundamental para o controle do metabolismo, ela pode ser feita por meio de sinais químicos — moléculassinalizadoras — ou sinais elétricos. 
Esses sinais regulam as atividades celulares e são respostas a estímulos do meio ambiente. É importante que as células sejam capazes de receber e reagir a sinais vindos da parte externa da membrana plasmática.
 A localização do receptor vai depender do tipo de molécula sinalizadora:
Se a molécula é hidrossolúvel, é importante que o receptor esteja presente na membrana, uma vez que a molécula hidrossolúvel não é capaz de atravessar a membrana celular. 
Desse modo, quando a molécula se liga ao receptor, há uma mudança de conformação e uma amplificação do sinal para o interior da célula, com uma consequente resposta celular. Como na figura 5. 
Se a molécula sinalizadora é lipossolúvel, o receptor para essa molécula pode se encontrar na superfície da célula, como no caso anterior, ou no interior da célula, estando presente no citoplasma ou mesmo no núcleo celular.
A lipossolubilidade permite que ela seja capaz de atravessar a membrana celular através da difusão pelos lipídeos..
Um dos tipos de sinalização é a dependente de contato, neste caso, as proteínas ligadas à membrana plasmática de uma célula podem interagir com receptores de uma célula adjacente.
 A substância sinalizadora não é secretada para o meio, ela permanece na superfície da célula sinalizadora.
Existem outros tipos de sinalização:
Sinalização parácrina — As moléculas sinalizadoras (mediadores locais) agem em múltiplas células alvo, próximas ao local de sua síntese;
Sinalização autócrina — A célula responde a substâncias liberadas por ela mesma. As moléculas mediadoras podem ser mediadores locais, como por exemplo, alguns fatores de crescimento;
Sinalização endócrina — Os sinais são hormônios transmitidos a diversas localidades do organismo via corrente sanguínea, para encontrar a célula-alvo. .
 É sempre importante observar que, para receber a informação, a célula deve possuir o receptor específico para ligação. Caso contrário, não haverá resposta. 
Na figura 8, observamos que uma célula possui receptor para o hormônio A e não para o hormônio B, a outra possui apenas para B e não para A, mas uma terceira é capaz de responder aos dois hormônios A e B, já que possui receptores específicos para ambos. 
A molécula transmissora pode ser um neurotransmissor como a dopamina, assim, ela age na célula-alvo, que deve estar próxima a ela em uma junção sináptica.
 
Principais mecanismos moleculares de transdução de sinais 
1. Receptores de membrana acoplados a canais iônicos 
São receptores ionotrópicos, que participam da transmissão rápida que envolve a abertura de proteínas dispostas ao redor de um canal, uma vez que o ligante se une, ocorre a abertura desse canal, um evento que acontece em milissegundos.
2. Receptores de membrana acoplados a proteínas G
Esse grupo é o dos receptores metabotrópicos. Quando o ligante se une, ocorre a ativação de uma proteína G, que é uma proteína heterotrimérica de membrana, com três subunidades (αβγ), em que a subunidade alfa possui atividade GTPase. Existem vários tipos de proteínas G, que interagem com diferentes receptores e controlam diferentes efetores. 
3. Receptores enzimáticos – ligados a quinases
São os receptores de vários hormônios, por exemplo, insulina (esquema ao lado) e fatores de crescimento, que incorporam a proteína tirosina quinase em seu domínio intracelular. Estão envolvidos principalmente em eventos que controlam o crescimento e a diferenciação celular e atuam indiretamente ao regular a transcrição gênica.
4. Receptores intracelulares
São os receptores que controlam a transcrição gênica. Os exemplos de ligantes incluem os hormônios esteroides, tiroidianos, vitamina D e ácido retinoico. 
Esses receptores são proteínas intracelulares, então, obrigatoriamente, os ligantes devem ser lipossolúveis e penetrar na célula. Os efeitos são produzidos em consequência da síntese alterada de proteínas e são os de início e ação mais lentos. 
A figura 10 mostra o receptor de vitamina D.