ENERGÉTICA DAS VIAS METABÓLICAS

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ENERGÉTICA DAS VIAS METABÓLICAS
VISÃO GERAL
Os organismos vivos realizam diversos processos metabólicos
fundamentais para a sua sobrevivência. A todo momento estão ocorrendo inúmeros
mecanismos bioquímicos que envolvem transdução energética e conversão de
energia de uma forma para outra. Os organismos obtêm energia através da
alimentação, mais precisamente, da digestão dos macronutrientes. Essa energia é
vastamente utilizada pelas células para que elas possam permanecer vivas, crescer
e se reproduzir. A partir dela, as células sintetizam macromoléculas complexas
mediante polimerização de biomoléculas simples, criam gradientes de
concentração, gradientes elétricos, geram movimento, calor e até mesmo luz.
As transduções de energia que ocorrem nos sistemas biológicos obedecem
às leis químicas e físicas que governam os processos naturais. Dessa forma, o
conhecimento das leis da termodinâmica são fundamentais para a compreensão da
bioquímica das células.
A primeira lei da termodinâmica é conhecida como princípio da conservação
de energia. Ela estabelece que o somatório total da energia no universo é
constante, isto é, a energia pode mudar de forma ou ser transportada para outro
lugar, mas jamais pode ser criada ou destruída. Já a segunda lei da termodinâmica
diz que o universo sempre tende para o aumento da desordem. Aqui é necessário a
introdução do conceito de entropia, S, que é a expressão quantitativa da
aleatoriedade ou desordem de um sistema. Portanto, pode-se dizer que a segunda
lei da termodinâmica determina que os processos naturais são favorecidos com o
aumento de entropia.
Os organismos biológicos estão em constante interação com o meio
ambiente. A todo o momento, eles se auto-organizam ao passo que realizam troca
energética e de matéria com o meio que o cerca. Os processos que ocorrem tanto
no âmbito microscópico quanto no macroscópico são intimamente correlacionados.
Além da entropia, existem outros dois conceitos termodinâmicos essenciais:
a entalpia e a energia livre de Gibbs. A entalpia, H, é o conteúdo de calor do
sistema. Ela reflete a quantidade e o tipo de ligações químicas existentes entre os
reagentes e os produtos. Reações que liberam calor são exotérmicas, enquanto que
reações que absorvem energia, endotérmicas. A quantidade de energia capaz de
realizar trabalho durante uma reação a temperatura e pressão constantes é
conhecida como energia livre de Gibbs.
Nas condições biológicas, esses conceitos se relacionam pela equação:
ΔG = ΔH - T.ΔS
MUDANÇAS NA ENERGIA LIVRE DE GIBBS
A energia livre de Gibbs, G, é a quantidade de energia capaz de realizar
trabalho biológico durante uma reação a temperatura e pressão constantes. Essa
energia pode ser usada para predizer os sentidos das reações, a constante de
equilíbrio e a quantidade de trabalho que elas podem realizar.
Em uma reação química, a medida em que os produtos estão sendo
formados, parte dos reagentes são restaurados. Essa variação de concentração
permanece até que o equilíbrio químico seja atingido e as velocidades da reação no
sentido direto e inverso se igualem. Na natureza, os sistemas tendem a atingir o
equilíbrio, sendo a energia livre de Gibbs uma forma de expressar a força motriz que
representa essa tendência.
A variação de energia livre de gibbs em condições padrão representa uma
forma matemática alternativa de representar a constante de equilíbrio de um
sistema. Um sistema que tende a seguir a reação no sentido direto, tem uma
constante de equilíbrio maior que 1 e o ΔG negativo. Essas reações se transformam
de modo a liberar energia livre e são classificadas como exergônicas. Já as reações
que possuem constante de equilíbrio menor que 1, tenderão a seguir pelo sentido
inverso e terão ΔG positivo, sendo chamadas de endergônicas.
Reações que ocorrem mediante realização de trabalho, exergônicas,
acontecem espontaneamente na natureza. A variação de energia livre negativa
significa que o conteúdo de energia livre dos reagentes é maior do que o dos
produtos. Ou seja, a força motriz para atingir o equilíbrio induz que essa reação
ocorra espontaneamente.
Por outro lado, as reações endergônicas possuem variação de energia livre
positiva. Os produtos contêm mais energia livre do que os reagentes, o que faz com
que o sentido inverso da reação seja favorecido para atingir o equilíbrio. Dessa
forma, tais reações não são espontâneas em condições padrão. Para que elas
venham a acontecer, é necessário que seja fornecida energia ao sistema.
Embora pareça contraditório, muitas reações com variação positiva de
energia livre ocorrem nas células cotidianamente. Para que essas reações
desfavoráveis procedam, é necessário que seja adotada uma via metabólica
alternativa, a qual passe por outras reações intermediárias termodinamicamente
favoráveis que vão fornecer a energia suficiente para a transformação. As variações
de energia livre são aditivas. Logo, no caso de reações químicas sequenciais a
variação da energia livre geral vai ser igual ao somatório do ΔG de cada reação.
Além disso, outra confusão muito comum é achar que, por ser favorável,
uma reação vai ocorrer sempre, o que não é verdade. Muitas vezes as reações
possuem energia de ativação mais alta do que a energia disponível no sistema,
sendo muito lentas. Nessas circunstâncias faz-se necessário enzimas para
catalisá-las, reduzindo a sua energia de ativação, para que ocorram em um tempo
biologicamente útil.
REAÇÕES ACOPLADAS
O metabolismo é um conjunto de todas as transformações químicas que
ocorrem em uma célula ou no organismo. Essa série de reações se dá por meio de
catálise e regulação enzimática e constituem as vias metabólicas. As vias
metabólicas possuem diversas etapas consecutivas que compartilham um
intermediário em comum. O produto de uma reação vai ser o reagente da reação
seguinte. Dessa forma, as reações acopladas estabelecem uma íntima relação de
dependência uma das outras.
Existem duas fases principais no metabolismo: o catabolismo e o
anabolismo. O catabolismo é a fase de degradação, na qual as macromoléculas
presentes nos alimentos são convertidas em produtos menores e mais simples.
Essas vias são primordiais para obtenção de energia, que vai ser conservada na
forma de ATP ou transportadores de elétrons ou hidrogênio reduzidos. O
anabolismo é a fase inversa, na qual ocorre a biossíntese de macromoléculas
complexas a partir de substratos mais simples. Nessa fase há gasto da energia
acumulada na forma de ATP ou nas coenzimas redox.
As reações acopladas de uma via metabólica são dependentes uma das
outras. A inibição ou estimulação de uma reação gera um efeito em cadeia em toda
a via metabólica. Por exemplo, dada uma via metabólica A + B ⇌ AB + C → ABC, a
inibição da primeira reação, resultaria na formação de menos ABC, uma vez que
haveriam menos substratos AB e C para sua síntese. De maneira análoga, o
estímulo da primeira reação geraria um excesso de AB e C e, portanto, um aumento
na síntese de ABC.
As diferentes vias metabólicas são independentes mas altamente reguladas
pela ação enzimática. A maioria das células possuem enzimas específicas para
síntese e outras para a degradação de uma biomolécula. Quando uma via é
estimulada, a outra passa a ser inibida e vice-versa. Além disso, é fundamental que
uma das reações seja termodinamicamente favorável para que ela não seja
irreversível e que a substância se comprometa com determinada via metabólica. A
coordenação dessas reações é fundamental para o funcionamento adequado das
células e do organismo.
A regulação do metabolismo é extremamente complexa e integrada. Ela
depende de diversos fatores como, concentração das substâncias, energia,
constantes de equilíbrio e ΔG, presença de cofatores e ação enzimática.
CICLO DE ATP-ADP
A adenosina trifosfato, ATP, é principal molécula transportadora de energia
nas células. A energia obtida através do catabolismo dos nutrientes é usada para
sintetizar ATP a partirde ADP e fosfato inorgânico. O ATP conserva essa energia
que prontamente pode ser utilizada pelo organismo caso surja alguma demanda
energética para processos anabólicos, transporte ativo de substâncias por meio de
membranas, e para realizar movimento mecânico. Essa doação de energia se dá
pela transferência de fosfato ou hidrólise do ATP em ADP ou fosfato inorgânico ou,
em alguns casos, em AMP e 2 fosfatos inorgânicos.
Em uma primeira análise, pode surgir a dúvida de como a quebra de ligação
covalente, que é um processo endotérmico, resultaria em uma liberação de energia.
Experimentalmente, observou-se que a variação de energia livre da hidrólise de ATP
é grande e negativa. Essa reação é favorável porque a separação de um dos três
grupos fosfatos da molécula de ATP alivia a repulsão eletrostática das cargas
negativas desses grupos. Outro fator contribuinte é o fato do fosfato liberado poder
ser estabilizado por ressonância, o que não era possível antes no ATP. Ademais, o
maior grau de solvatação nos produtos da hidrólise do que no ATP contribuem com
a estabilização dos produtos em relação ao substrato.
É necessário elucidar que a hidrólise do ATP por si só, gera liberação de
calor e, portanto, não é isso que vai impulsionar os processos químicos em um
sistema isotérmico. Essa é uma forma simplificada de explicar o processo. Na
verdade, uma parte do ATP vai ser transferida covalentemente para uma molécula
do substrato ou para uma enzima de modo a aumentar o conteúdo energético.
Posteriormente, a porção transferida na primeira etapa é deslocada. Em resumo, o
ATP faz com que o composto passe a ter mais energia livre para liberar durante as
transformações subsequentes e, portanto, sua ocorrência seja favorecida.
A disponibilidade de ATP é regulada pela célula por ação enzimática.
Apesar de ser termodinamicamente mais instável do que os produtos da sua
hidrólise, o ATP não doa espontaneamente grupos fosforil para água ou para outras
moléculas aceptoras. A clivagem do ATP tem uma alta energia de ativação e, por
isso, requer a presença de enzimas específicas para reduzir a energia de ativação.
Embora o ATP seja a principal moeda energética nas células, outros
trisfosfatos de nucleosídeos e outros compostos de alta energia também fornecem
energia para uma variedade de processos metabólicos. O fosfoenolpiruvato pode
sofrer hidrólise e gerar a forma endólica do piruvato, que pode converter-se na
forma cetônica mais estável. O produto dessa reação é mais estável em relação ao
substrato, o que contribui para elevada energia livre padrão dessa reação.
A fosfocreatina possui uma ligação P--N que pode ser hidrolisada para
formar creatina livre e fosfato inorgânico. A estabilização por ressonância dos
produtos favorece a reação no sentido direto, tendo uma grande variação de energia
livre padrão negativa. Essa substância é usada para repor o ATP nos músculos.
A hidrólise dos tioesteres geram produtos que são estabilizados por
ressonância. Os tioésteres sofrem menos estabilização do que os ésteres de
oxigênio e, por isso, a diferença de energia livre entre os subtratos e os produtos da
hidrólise é maior. Portanto, a variação de energia livre padrão dessas reações é
elevada e negativa. Um importante tioéster do metabolismo é o acetil-CoA,
envolvidos em muitos processos como na respiração celular.
A hidrólise de outros nucleosídeos trifosfatados também possuem uma
grande variação de energia livre negativa. O trifosfato de guanosina, GTP, é muito
utilizado durante as etapas ribossômicas de síntese proteica. O trifosfato de citosina,
CTP, na síntese de lipídeos. O trifosfato de uridina, UTP, na síntese de
polissacarídeos.
COENZIMAS REDOX
As reações de oxirredução são muito importantes no metabolismo dos
organismos. Elas são caracterizadas por envolverem transferência de elétrons entre
as espécies químicas. Em reações redox, uma espécie vai oxidar ao doar elétrons
para outra espécie que vai reduzir ao recebê-los.
O fluxo de elétrons resultantes das reações de oxirredução é responsável
por todo o trabalho realizado pelos organismos. Nos seres heterótrofos os elétrons
vão vim da oxidação dos nutrientes. Os elétrons perpassam de diversos
intermediários metabólicos para transportadores de elétrons especializados, em
reações catalisadas enzimaticamente. Os transportadores de elétrons, por sua vez,
doam-nos para as espécies com maior afinidade. O fluxo exergônico de elétrons
gera uma força eletromotriz (fem) que fornece energia para uma gama de
transdutores moleculares de energia que podem gerar trabalho biológico.
A ação dos transportadores é fundamental para o metabolismo das células.
O NAD, NADP, FMN e FAD são coenzimas solúveis que sofrem oxidações e
reduções reverversíveis a medida em que transduzem os elétrons. O NAD e o
NADP possuem mais mobilidade de uma enzima para outra, enquanto que o FMN e
FAD são fortemente ligados às enzimas.
O dinucleotídeo de nicotinamida-adenina, NAD, e o dincucleotídeo de
nicotinamida-adenina-fosfato, NADP, podem sofrer redução reversível do anel de
nicotinamida. Quando o substrato sofre oxidação (desidrogenação), a forma oxidada
do nucleotídeo recebe um íon hidreto e é reduzida a NADH ou NADPH e o segundo
próton retirado do substrato é solvatado pela água.
No organismo, geralmente há uma maior concentração de NADPH do que
NADP+, o que favorece a transferência do hidreto para algum susbtrato. Já o NAD+
está mais presente do que o NADH, o que favorece a transferência do hidreto do
substrato para o NAD+. Dessa forma, o NAD+ geralmente atua em oxidação, no
catabolismo, enquanto que o NADPH atua na redução, no anabolsimo.
O mononucleotídeo de flavina, FMN, e o dinucleotídeo de flavina-adenina,
FAD, são coenzimas usadas pelas flavoproteínas. Eles sofrem redução reversível,
recebendo um ou dois elétrons na forma de um ou dois átomos de hidrogênio de um
substrato, gerando FADH2 ou FMNH2 quando totalmente reduzidos. Essas
coenzimas estão envolvidas em uma maior diversidade de processos do que a NAD
e a NADP, e podem servir até como receptores de luz em criptocromos e fotoliases.
REFERÊNCIAS
HARVEY, R. A.; FERRIER, D. R. Bioquímica ilustrada. Tradução André Krumel
Portella... et al. 5. ed. Porto Alegre: ARTMED, 2012
NELSON, David L. Princípios de bioquímica de Lehninger. [Coordenação da
tradução de] Ana Beatriz Gorini da Veiga et al. 6. ed. Porto Alegre : ARTMED, 2014.