Metabolismo

Metabolismo
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Estrutura do trifosfato de adenosina, um intermediário central no metabolismo energético.
Metabolismo (do grego metabolismos, µεταβολισµός, que significa "mudança", troca[1]) é o conjunto
de transformações que assubstâncias químicas sofrem no interior dos organismos vivos. O termo
"metabolismo celular" é usado em referência ao conjunto de todas as reacções químicas que
ocorrem nas células. Estas reacções são responsáveis pelos processos de síntese e degradação
dos nutrientes na célula e constituem a base da vida, permitindo o crescimento e reprodução das
células, mantendo as suas estruturas e adequando respostas aos seus ambientes.
As reacções químicas do metabolismo estão organizadas em vias metabólicas, que são sequências
de reacções em que o produtode uma reacção é utilizado como reagente na reacção seguinte.
Diferentes enzimas catalisam diferentes passos de vias metabólicas, agindo de forma concentrada
de modo a não interromper o fluxo nessas vias. As enzimas são vitais para o metabolismo porque
permitem a realização de reacções desejáveis mas termodinamicamente desfavoráveis, ao acoplálas a reacções mais favoráveis. As enzimas regulam as vias metabólicas em resposta a mudanças
no ambiente celular ou a sinais de outras células.
O metabolismo é normalmente dividido em dois grupos: anabolismo e catabolismo. Reacções
anabólicas, ou reacções de síntese, são reacções químicas que produzem nova matéria
orgânica nos seres vivos. Sintetizam-se novos compostos (moléculas mais complexas) a partir de
moléculas simples (com consumo de ATP). Reacções catabólicas, ou reacções de
decomposição/degradação, são reacções químicas que produzem grandes quantidades de energia
livre (sob a forma de ATP) a partir da decomposição ou degradação de moléculas mais complexas
(matéria orgânica). Quando o catabolismo supera em atividade o anabolismo, o organismo
perde peso, o que acontece em períodos de jejum ou doença; mas se o anabolismo superar o
catabolismo, o organismo cresce ou ganha peso. Se ambos os processos estão em equilíbrio, o
organismo encontra-se em equilíbrio dinâmico ou homeostase.
O metabolismo é fundamentalmente estudado pela Bioquímica, usando muitas vezes também
técnicas ligadas à Biologia Molecular e à Genética.
Características gerais
O metabolismo de um organismo determina o quanto de substancia são consumidas sendo que o
mesmo possui alto poder de recuperação, o metabolismo além dessa determinação possui Por
exemplo, alguns procariontes utilizam ácido sulfídrico como nutriente; este gás é no
entanto venenoso para animais.[2] A velocidade a que se processa o metabolismo, determinada pela
taxa metabólica, também influencia a quantidade de alimento requerida por um organismo.
Uma característica do metabolismo é a semelhança de vias metabólicas básicas
entre espécies muito diferentes. Por exemplo, o conjunto de intermediários reacionais encontrados
nociclo dos ácidos tricarboxílicos é encontrado de forma universal, em células tão diferentes como
a bactéria Escherichia coli ou o elefante.[3] Esta estrutura metabólica semelhante está provavelmente
associada à grande eficiência dessas vias e na sua antiguidade na história da evolução.[4][5]
História
Santorio Santorio sentado na sua cadeira-balança. DeArs de statica medecina, publicado pela primeira vez
em 1614.
A história do estudo científico do metabolismo estende-se por quatro séculos, tendo evoluído da
observação de organismos animais inteiros até ao estudo de reacções metabólicas individuais
na Bioquímica moderna. As primeiras experiências conduzidas de forma controlada foram
publicadas por Santorio Santorio em 1614 no seu livro Ars de statica medecina..[6] Neste, Santorio
descreveu como determinou o seu próprio peso antes e depois de comer,beber, dormir, trabalhar,
ter relações sexuais, jejuar e excretar. Ele descobriu que a maior parte da comida ingerida era
perdida no que ele denominou de "perspiração insensível".
Nestes estudos precoces, os mecanismos destes processos metabólicos não eram conhecidos;
pensava-se que o tecido vivo era animado por uma "força vital".[7]
No século XIX, enquanto estudava a fermentação do açúcar a álcool por leveduras, Louis
Pasteur concluiu que a fermentação era catalisada por substâncias dentro das células de levedura,
a que ele chamou de "fermentos". Pasteur escreveu que "a fermentação alcoólica é um acto
correlacionado com a vida e organização das células de levedura, não com a morte ou putrefacção
das células." [8] Esta descoberta, a par com a publicação da síntese química da ureia por Friedrich
Wöhler em 1828,[9] provou que os compostos orgânicos e as reacções químicas existentes nas
células partilham o mesmo princípio que qualquer outra área da Química.
A descoberta das enzimas no início do século XX, por Eduard Buchner, separou o estudo das
reacções químicas do metabolismo do estudo biológico das células, marcando o início da
Bioquímica como ciência independente.[10] A quantidade de conhecimento bioquímico cresceu
rapidamente durante o início do século XX. Um dos bioquímicos mais prolíficos dessa época
foi Hans Krebs, que fez diversas contribuições no estudo do metabolismo.[11] Ele descobriu o ciclo da
ureia e, mais tarde, junto com Hans Kornberg, o ciclo dos ácidos tricarboxílicos (também conhecido
por esta razão como ciclo de Krebs) e o ciclo do glioxilato.[12][13]
A investigação bioquímica moderna tem sido ajudada com a invenção e desenvolvimento de
diversas técnicas, como a cromatografia, a difracção de raios X, a espectroscopia de ressonância
magnética nuclear, a marcação isotópica, a microscopia electrónica e simulações de dinâmica
molecular. Estas técnicas permitiram a descoberta e análise detalhada de diversas moléculas e vias
metabólicas nas células.
Substâncias bioquímicas relevantes
Ver artigos principais: proteína, glícido, lípido, ácido nucleico, enzima.
Estrutura de um triacilglicerol.
A maioria das estruturas que compõem os seres vivos é fabricada a partir de três classes
básicas de moléculas: aminoácidos, glícidos elípidos. Como estas moléculas são vitais, o
metabolismo concentra-se no fabrico destas, na construção de células e tecidos ou na sua
degradação para uso como fonte de energia. Muitos compostos bioquímicos podem ser
condensados formando polímeros, como o ADNe as proteínas. Estas macromoléculas são
parte essencial de todos os organismos vivos.
Alguns dos polímeros mais comuns estão listados abaixo:
Tipo de
molécula
Nome da forma
monomérica
Nome da forma
polimérica
Exemplos de formas
poliméricas
Aminoácidos
Aminoácidos
Proteínas (ou polipéptidos)
Proteínas fibrilares e proteínas
globulares
Glícidos
Monossacarídeos
Polissacarídeos
Amido, glicogénio e celulose
Ácidos
nucleicos
Nucleótidos
Polinucleótidos
ADN e ARN
Aminoácidos e proteínas
As proteínas são compostas por aminoácidos dispostos numa cadeia linear e ligados entre si
por ligações peptídicas. Muitas proteínas são as enzimas que catalisam as reacções químicas
no metabolismo. Outras proteínas têm funções estruturais ou mecânicas, como o sistema de
armação celular usado para manter a forma da célula, o citoesqueleto.[14]
As proteínas desempenham também papéis importantes na sinalização celular, resposta
imunitária, adesão celular, transporte activo através de membranas e no ciclo celular.[15]
[editar]Lípidos
Os lípidos são o grupo mais diversificado de compostos bioquímicos. Constituem grande parte
das membranas biológicas, tais como a membrana celular; além desta função estrutural,
também servem como fonte de energia.[15] Os lípidos são normalmente definidos como
moléculas biológicas hidrofóbicas ou anfipáticas solúveis em solventes orgânicos como
obenzeno ou o clorofórmio.[16]
As gorduras são um grupo alargado de compostos que inclui os ácidos gordos e o glicerol;
uma molécula de glicerol ligada a três ácidos gordos por uma ligação éster é
umtriacilglicerol.[17] Existem diversas variações desta estrutura básica, incluindo a presença
de esfingosina em esfingolípidos e grupos hidrofílicos como o fosfato nos fosfolípidos.
Os esteróides, como o colesterol, são outro grupo significativo de lípidos sintetizados em
células.[18]
Glícidos
Os glícidos são aldeídos ou cetonas contendo diversos grupos funcionais hidroxilo. Os glícidos
simples podem existir numa forma linear ou numa forma cíclica. São as moléculas biológicas
mais abundantes e possuem funções muito diversificadas, como o armazenamento e
transporte de energia (sob a forma de amido e glicogénio) e construção de elementos
estruturais (como a celulose em plantas e a quitina em animais).[15]
Estrutura da glicose convertida da projecção de Fisher (linear) para a de Haworth (cíclica).
Os glícidos mais simples são os monossacarídeos, que incluem a galactose, a frutose e
a glicose. Os monossacarídeos podem formar polímeros designados polissacarídeos de
formas muito diversas.[19]
Ácidos nucleicos
Os polímeros ADN e ARN são longas cadeias de nucleótidos. Estas macromoléculas são
essenciais no armazenamento e uso da informação genética, através dos processos
detranscrição e síntese proteica.[15] Esta informação é protegida por mecanismos de reparação
do ADN e propagada através da replicação do ADN. Alguns vírus têm um genoma constituído
por ARN (por exemplo, o HIV), que usam transcrição reversa para sintetizar ADN a partir
desse ARN.[20]
O ARN de ribozimas (como o spliceossoma) apresenta actividade enzimática tal como as
enzimas proteicas, pois pode catalisar reacções químicas.
Os nucleósidos são sintetizados a partir da ligação de uma base azotada a uma ribose. Estas
bases são anéis heterocíclicos contendo azoto, classificados como purinas oupirimidinas. Os
nucleótidos também actuam como coenzimas em reacções de transferência de grupos
químicos.[21]
Coenzimas
Estrutura da coenzima acetil-CoA. O grupo acetilo encontra-se ligado ao átomo de enxofre, na
extremidade esquerda.
O metabolismo envolve um vasto conjunto de reacções químicas, mas a maioria cai dentro de
alguns tipos básicos de transferências de grupos funcionais.[22] Esta química comum permite
às células usarem um conjunto relativamente pequeno de intermediários metabólicos no
transporte de grupos químicos de uma reacção para a seguinte.[21] Estes intermediários de
transferência de grupos são as coenzimas. Cada classe de reacção de transferência de
grupos corresponde a uma determinada coenzima, servindo de substrato para um conjunto de
enzimas que a produz e que a consome. Assim, as coenzimas são continuamente produzidas,
consumidas e então recicladas.[23]
A coenzima mais central é o trifosfato de adenosina (ATP), a moeda de troca energética
universal das células. Este nucleótido é utilizado para transferir energia química entre
diferentes reacções químicas. Existe uma pequena quantidade de ATP permanentemente
presente nas células, mas como é constantemente regenerado, o corpo humano é capaz de
utilizar o seu peso em ATP por dia.[23] O ATP actua como uma ponte
entre catabolismo e anabolismo, tendo as reacções catabólicas como produtoras de ATP e as
anabólicas como consumidoras. Também serve como um transportador de grupos fosfato em
reacções de fosforilação.
As vitaminas são compostos orgânicos necessários em pequenas quantidades e que não
podem ser sintetizados pelas células. Na nutrição humana, a maioria das vitaminas funciona
como coenzimas após sofrerem uma modificação química; por exemplo, todas as vitaminas
hidrossolúveis são fosforiladas ou acopladas a nucleótidos aquando da sua utilização
intracelular.[24] O dinucleótido de nicotinamida-adenina (NADH), um derivado da vitamina
B3 (niacina), é uma coenzima importante que actua como aceitador de hidrogénio. Centenas
de diferentes tipos de desidrogenases retiram electrões dos seus substratos
e reduzem NAD+ a NADH. Esta forma reduzida da coenzima é então substrato
para redutases celulares que necessitem de reduzir os seus substratos respectivos.[25] O
dinucleótido de nicotinamida-adenina existe também sob uma forma fosfatada, NADPH. O
par redox NAD+/NADH é mais importante em reacções catabólicas, enquanto que o par
NADP+/NADPH é usado em reacções anabólicas.
Minerais e cofactores
Estrutura da hemoglobina (PDB 1GZX). As subunidades da proteínas encontram-se coloridas a vermelho
e azul, encontrando-se os gruposhemo a verde.
Cerca de 99% da massa de mamíferos é constituída
pelos elementos carbono, azoto, hidrogénio, oxigénio, cálcio, magnésio, sódio,potássio, cloro e
enxofre.[26] Destes, são considerados "inorgânicos" os metais, o enxofre e o cloro. Enquanto
que alguns dos elementos inorgânicos são abundantes em sistemas vivos (como o sódio e o
potássio), outros encontram-se em quantidades vestigiais. Oscompostos orgânicos (proteínas,
lípidos, glícidos) contêm a maioria do carbono e azoto; a maioria do oxigénio e hidrogénio
encontra-se sob a forma de água.[26]
Os elementos inorgânicos mais abundantes actuam como electrólitos. Os iões mais
importantes são o sódio, potássio, cálcio, magnésio, cloreto, fosfato e o ião
orgânico bicarbonato. A existência de gradientes iónicos através de membranas celulares
mantém apressão osmótica e o pH.[27] Os iões são também vitais para nervos e músculos, pois
os potenciais de acção usados nestes tecidossão produzidos através da troca de electrólitos
entre o fluido extracelular e o citoplasma.[28] Os electrólitos entram e saem das células através
de proteínas transmembranares denominadas canais iónicos. Por exemplo, a contracção
muscular depende do movimento de cálcio, sódio e potássio através de canais iónicos na
membrana celular e túbulos-T.[29]
Os metais de transição são normalmente elementos vestigiais em organismos, sendo o zinco e
o ferro os mais abundantes.[30][31] Estes metais são usados por algumas proteínas como
cofactores e são essenciais para a actividade de metaloenzimas como a catalase e proteínas
de transporte de dioxigénio como a hemoglobina.[32] Tais metais actuam como cofactores quer
estando ligados directamente à cadeia polipeptídica, quer estejam integrados em moléculas
orgânicas complexas que por sua vez se encontram ligadas à cadeia polipeptídica. Os
cofactores sofrem modificações durante a catálise enzimática mas voltam sempre ao seu
estado inicial no fim de um ciclo catalítico. Os metais de transição são absorvidos pelos
organismos usando transportadores específicos e ligam-se a proteínas de armazenamento
como a ferritina e a metalotioneína quando não é necessária a sua disponibilidade para intervir
no metabolismo.[33][34]
Catabolismo
Ver artigos principais: catabolismo, digestão, fosforilação oxidativa.
O catabolismo é o conjunto das reacções metabólicas que libertam energia. Tais
reacções incluem a degradação e oxidação de moléculas encontradas em alimentos,
assim como reacções que captam a energia luminosa da luz solar. As reacções
catabólicas providenciam energia e componentes necessários às reacções anabólicas. A
natureza exacta destas reacções catabólicas difere de organismo para organismo:
organismos organotróficos usam moléculas orgânicas como fonte de energia,
enquanto litotróficos usam substratos inorgânicos e fototróficos captam energia solar,
transformando-a em energia química.
Todas estas diferentes formas de metabolismo dependem de reacções redox que
envolvem a transferência de electrões de moléculas doadoras reduzidas, como
moléculas orgânicas,água, amoníaco, ácido sulfídrico ous iões ferrosos (Fe2+), para
moléculas aceitadoras, como o dioxigénio (O2), o nitrato (NO3−) ou o sulfato (SO42).[35] Em animais, estas reacções envolvem a degradação de moléculas orgânicas
complexas a moléculas mais simples, como dióxido de carbono (CO2) e água (H2O). Em
organismos fotossintéticos, como as plantas ecianobactérias, estas reacções de
transferência electrónica não libertam energia, sendo antes utilizadas como forma de
armazenar energia absorvida da luz solar.[36]
O conjunto de reacções catabólicas mais comum em animais pode ser separado em três
etapas diferentes. Na primeira etapa, moléculas orgânicas complexas como as proteínas,
polissacarídeos ou lípidos são degradados nos seus componentes fora das células. Na
etapa seguinte, estas moléculas de menor tamanho são importadas pelas células e
convertidas a moléculas menores, normalmente o acetil-CoA, num processo que liberta
energia. Na última etapa, o grupo acetilo do acetil-CoA é oxidado a água e dióxido de
carbono, libertando energia que é armazenada através da redução da
coenzima dinucleótido de nicotinamida-adenina, NAD+, a NADH.
Um esquema simplificado do catabolismo de proteínas,polissacarídeos e lípidos.
Digestão
Macromoléculas como o amido ou as proteínas não podem ser rapidamente assimilados
pelas células, tendo de ser degradados nos seus componentes de menor tamanho antes
de poderem ser utilizados no metabolismo celular. A digestão destespolímeros é feita por
diversas classes de enzimas. Estas enzimas digestivas incluem as proteases, que
digerem proteínas a aminoácidos, e glicosídeo hidrolases, que digerem polissacarídeos a
monossacarídeos.
Os microorganismos excretam enzimas digestivas para o ambiente ao seu
redor,[37][38] enquanto que os animais segregam estas enzimas em células especializadas
do sistema digestivo.[39] Os aminoácidos ou açúcares libertados por estas enzimas
extracelulares são então assimiladas pelas células através de proteínas específicas
usando transporte activo.[40][41]
Energia de compostos orgânicos
O catabolismo de glícidos consiste na degradação de glícidos complexos em unidades
de menor tamanho. Os glícidos são normalmente assimilados pelas células após a sua
digestão a monossacarídeos.[42] Após entrada na célula, a principal via de degradação é
a glicólise, em que açúcares como a glucose e a frutose são convertidos a piruvato, com
a concominante formação de ATP.[43] O piruvato é um intermediáro de diversas vias
metabólicas, mas a maioria é convertida a acetil-CoA, que entra no ciclo dos ácidos
tricarboxílicos (ciclo de Krebs). Embora haja mais alguma formação de ATP neste ciclo, o
produto principal deste é o NADH, resultante da redução do NAD+ quando o acetil-CoA
é oxidado. Esta oxidação liberta dióxido de carbono. Uma via alternativa de degradação
da glicose é a Via das pentoses-fosfato, que reduz a coenzima NADPH e
produzpentoses como a ribose, o açúcar componente dos ácidos nucleicos.
As gorduras são catabolizadas por hidrólise a ácidos gordos livres e glicerol. O glicerol
entra na glicólise e os ácidos gordos são degradados por beta-oxidação a acetil-CoA,
que entra então no ciclo dos ácidos tricarboxílicos. Devido à sua grande proporção de
grupos metileno e pelo facto de os glícidos possuirem mais oxigénio nas suas estruturas
químicas, os ácidos gordos libertam mais energia que os glícidos quando oxidados.
Os aminoácidos são utilizados na síntese de proteínas e outras biomoléculas, ou
oxidados a ureia e dióxido de carbono para obtenção de energia.[44] A via de
oxidação começa com a remoção do grupo amina por uma transaminase, deixando um
esqueleto de carbono sob a forma de um cetoácido; o grupo amina é então metabolizado
no ciclo da ureia. Vários cetoácidos obtidos através da desaminação de aminoácidos são
também intermediários no ciclo dos ácidos tricarboxílicos: por exemplo, a desaminação
do glutamato forma α-cetoglutarato.[45] Os aminoácidos glucogénicos também podem ser
convertidos a glicose, através da gluconeogénese.[46]
Fosforilação oxidativa
Estrutura da ATP sintase. O canal de protões encontra-se a azul e a subunidade com
actividade de sintase a vermelho.
Na fosforilação oxidativa, os electrões obtidos na oxidação de moléculas em vias
metabólicas como o ciclo dos ácidos tricarboxílicos são transferidos para o dioxigénio, e
a energia libertada é usada na síntese de ATP. Em eucariontes, este processo é levado
a cabo por uma série de proteínas, a cadeia de transporte electrónico,
nas membranas mitocondriais. Em procariontes, estas proteínas encontram-se
na membrana celular interna.[47] Estas proteínas utilizam a energia obtida da oxidação de
NADH parabombear protões através da membrana.[48]
O transporte de protões para o exterior da mitocôndria cria uma diferença de
concentração de protões entre os dois compartimentos, gerando um gradiente
electroquímico.[49] A presença deste gradiente força os protões a regressarem ao interior
da mitocôndria através da ATP sintase. O fluxo de protões provoca a rotação da
subunidade inferior, causando a fosforilação dedifosfato de adenosina (ADP) a trifosfato
de adenosina (ATP).[23]
Energia de compostos inorgânicos
A quimiolitotrofia é um tipo de metabolismo encontrado em procariontes, em que a
energia é obtida a partir da oxidação decompostos inorgânicos. Estes organismos podem
usar hidrogénio,[50] compostos reduzidos de enxofre (como sulfuretos, ácido
sulfídrico e tiossulfato),[2] óxidos de ferro (II),[51] ou amoníaco[52] como fontes de agentes
redutores, ganhando energia a partir da oxidação destes compostos com aceitadores de
electrões como o oxigénio ou o nitrito.[53] Estes processos microbiológicos são
importantes em ciclos biogeoquímicos como a acetogénese, a nitrificação e
a desnitrificação e são de importância crítica para afertilidade do solo.[54][55]
Energia luminosa
A energia da luz solar é captada por plantas, cianobactérias, alguns tipos de bactérias e
de protistas. Este processo está frequentemente acoplado à fixação de dióxido de
carbono em compostos orgânicos, um processo integrante da fotossíntese. Os sistemas
de captura de energia e de fixação de carbono podem trabalhar separadamente em
procariontes, como acontece com as bactérias púrpura e as bactérias verdes sulfurosas,
que usam a luz solar como fonte de energia mas alternam o seu metabolismo entre a
fixação de carbono e a fermentação de compostos orgânicos.[56][57]
A captação de energia solar é um processo semelhante à fosforilação oxidativa no ponto
em que ambos os processos envolvem o armazenamento de energia sob a forma de um
gradiente de protões e esta força motriz protónica leva à síntese de ATP.[23] No caso da
fotossíntese, os electrões necessários para o funcionamento da cadeia de transporte
electrónico provêm de proteínas colectoras de luz denominadas centros reaccionais
fotossintéticos. Estas estruturas dividem-se em dois tipos dependendo
do pigmento fotossintético presente; a maioria das bactéria fotossintéticas possui apenas
um tipo de centro, enquanto as plantas e as cianobactérias possuem dois.[58]
Em plantas, o fotossistema II usa energia luminosa para remover electrões da água,
libertando oxigénio no processo. os electrões fluem então para o complexo do citocromo
b6f, que usa a sua energia para bombear protões através das membranas
dos tilacóides nos cloroplastos.[15] Estes protões regressam ao interior dos tilacóides
através da ATP sintase, num processo semelhante ao descrito nas mitocôndrias. Estes
electrões podem então fluir para o fotossistema I e podem ser utilizados na redução de
NADP+, no ciclo de Calvin ou reciclados para gerar ainda mais ATP.[59]
Anabolismo
Ver artigos principais: anabolismo, fotossíntese, gluconeogénese.
O anabolismo é o conjunto de reacções metabólicas de síntese em que a energia
libertada pelo catabolismo é utilizada para construir moléculas complexas. Em
geral, as moléculas complexas que constituem estruturas celulares são construídas
passo a passo a partir de precursores mais simples. O anabolismo divide-se em
três etapas fundamentais: primeiro, a síntese de precursores
como aminoácidos, monossacarídeos, isoprenóides e nucleótidos, depois a sua
activação a formas reactivas usando energia provinda do ATP e finalmente a
construção de moléculas complexas, tais
como proteínas, polissacarídeos, lípidos e ácidos nucleicos, a partir destes
precursores activados.
Os organismos diferem entre si na quantidade de diferentes moléculas que
conseguem sintetizar. Os seres autotróficos, como as plantas, podem construir
moléculas complexas (polissacarídeos e proteínas) a partir de moléculas muito
simples como o dióxido de carbono e a água. Os seres heterotróficos necessitam
de fontes alimentares para providenciar monossacarídeos e aminoácidos, para
produzir macromoléculas. Os organismos podem ainda ser classificados segundo a
fonte primária da sua energia: fotoautotróficos e foto-heterotróficos obtém energia a
partir da luz solar, enquanto que organismos quimioautotróficos e quimioheterotróficos obtêm energia a partir de reacções de oxidação.
Fixação de carbono
Células vegetais apresentando cloroplastos (a verde), que são osorganelos em que
ocorre a fotossíntese.
A fotossíntese é o processo em que ocorre síntese de glicose a partir da luz solar,
dióxido de carbono e água, havendo produção concomitante de oxigénio. Este
processo utiliza ATP e NADPH produzido pelos centros reaccionais fotossintéticos
para converter CO2 em glicerol-3-fosfato, que pode ser então convertido a glicose.
Esta reacção de fixação de carbono é catalisada pela enzima RuBisCO e é parte
integrante do ciclo de Calvin.[60] Ocorrem três tipos de fotossíntese em plantas:
fixação de carbono em plantas C3, fixação de carbono em plantas C4 e
fotossíntese CAM. Estes tipos de fotossíntese diferem na via que o CO2 toma até
ao ciclo de Calvin: as plantas C3 fixam o CO2directamente, enquanto que as C4 e
CAM incorporam-no noutros compostos de forma a adaptar a condições de alta
luminosidade e dessecação.[61] Algas e plantas aquáticas usam organelas
chamadas pirenóides.
Os mecanismos de fixação de carbono em procariontes fotossintéticos são mais
diversificados. O CO2 pode ser fixado através do ciclo de Calvin, de um ciclo dos
ácidos tricarboxílicos inverso[62] ou através da carboxilação do acetilCoA.[63][64] Procariontes quimioautotróficos também utilizam o ciclo de Calvin para a
fixação de carbono mas a energia usada nas reacções provém de compostos
inorgânicos.[65]
Glícidos
No anabolismo de glícidos, ácidos orgânicos simples podem ser convertidos
a monossacarídeos como a glicose, sendo então usados para
sintetizar polissacarídeos como o amido. A produção de glicose a partir de
compostos como o piruvato, o lactato, o glicerol, o glicerol-3fosfato e aminoácidosé designada gluconeogénese. Na gluconeogénese, o
piruvato é convertido a glicose-6-fosfato usando diversos intermediários, muitos
deles comuns à glicólise.[43] No entanto, esta via não se resume a uma inversão da
glicólise, pois diversos passos são catalisados por enzimas não-glicolíticas. Este é
um aspecto importante pois permite a regulação separada da formação e da
degradação da glicose, evitando que ambas as vias funcionem em simultâneo num
ciclo fútil.[66][67]
Embora a gordura seja um modo comum de armazenamento de energia,
em vertebrados, como os humanos, os ácidos gordos não podem ser convertidos a
glicose através da gluconeogénese, pois estes organismos são incapazes de
transformar acetil-CoA em piruvato.[68] Por essa razão, após um longo jejum os
vertebrados necessitam de produzir corpos cetónicos a partir de ácidos gordos
para substituir a glicose em falta em tecidos e órgãos que não conseguem
metabolizar ácidos gordos, como o cérebro.[69] Noutros organismos, como plantas e
bactérias, este problema metabólico é ultrapassado utilizando o ciclo do glioxilato,
que evita o passo de descarboxilação no ciclo dos ácidos tricarboxílicos e permite a
transformação de acetil-CoA a oxaloacetato, que pode ser então utilizado na
produção de glicose.[13][68]
Os polissacarídeos e os glicanos são sintetizados através da adição sequencial de
monossacarídeos, catalisada por glicosiltransferases, de um doador de açúcar
fosforilado como odifosfato de uridina-glicose (UDP-glicose) para um
grupo hidroxilo aceitador no polissacarídeo nascente. Como qualquer um dos
grupos hidroxilo da estrutura do substrato podem ser aceitadores, os
polissacarídeos podem ter estruturas lineares ou ramificadas.[70]
Os polissacarídeos podem desempenhar funções estruturais ou metabólicas,
podendo também ser transferidos para lípidos e proteínas pelas enzimas
oligossacariltransferases.[71][72]
Ácidos gordos, isoprenóides e esteróides
Esquema simplificado da via de síntese de esteróides, mostrando os intermediários
metabólicos pirofosfato de isopentenilo (IPP), pirofosfato de dimetilalilo (DMAPP),
pirofosfato de geranilo (GPP) e esqualeno. Outros intermediários foram omitidos para
maior claridade.
Os ácidos gordos são sintetizados pelas sintases de ácido gordo, que polimerizam
e reduzem unidades de acetil-CoA. As cadeias acilo dos ácidos gordos são
aumentadas através de um ciclo de reacções que adicionam o grupo acilo,
reduzem-no à forma álcool, desidratam este a um grupo alceno, sendo este
finalmente reduzido a um grupo alcano. As enzimas envolvidas na biossíntese de
ácidos gordos encontram-se divididas em dois grupos: em animais e fungos todas
estas reacções são catalisadas por uma proteína multifuncional (tipo I),[73] enquanto
que em plantas e bactérias diferentes enzimas catalisam as diversas reacções (tipo
II).[74][75]
Os terpenos e os isoprenóides são uma classe de lípidos, incluindo
os carotenóides, sendo a maior classe de produtos naturais vegetais.[76] Estes
compostos são sintetizados através da montagem e modificação de unidades
de isoprenodoadas pelas moléculas precursoras pirofosfato de
isopentenilo e pirofosfato de dimetilalilo.[77] Estes precursores podem ser obtidos de
diferentes formas. Em animais e arqueas, a via do mevalonato produz estes
compostos a partir do acetil-CoA,[78] enquanto que plantas e bactérias existe uma
via alternativa ( do não-mevalonato) que utiliza piruvato e3-fosfato de
gliceraldeído como substratos.[77][79]
Uma reacção importante que utiliza estes doadores de isopreno é a síntese
de esteróides. Nesta, as unidades de isopreno são unidas formando esqualeno;
este é então convertido a lanosterol.[80] O lanosterol pode ser então convertido a
outros esteróides, como o colesterol e o ergosterol.[80][81]
Proteínas
Diferentes organismos possuem diferentes capacidades de sintetizar os
vinte aminoácidos mais comuns. A maioria das bactérias e plantas conseguem
sintetizar todos os vinte aminoácidos; os mamíferos conseguem sintetizar apenas
dez, denominados não-essenciais por esta razão.[15] Assim, os aminoácidos
essenciais têm de ser obtidos através da alimentação. Todos os aminoácidos são
sintetizados a partir de intermediários da glicólise, do ciclo dos ácidos
tricarboxílicos ou da via das pentoses-fosfato; o azoto não existente nestes
intermediários é fornecido pelo glutamato ou pela glutamina. A síntese dos
aminoácidos depende da formação do alfa-cetoácido apropriado, que sofre
entãotransaminação para formar um aminoácido.[82]
Os aminoácidos são utilizados na síntese de proteínas, ao serem ligados entre si
por ligações peptídicas numa cadeia linear. Os aminoácidos podem ser ligados
num número de combinações quase infinito, fazendo com que cada proteína tenha
uma sequência única de aminoácidos, denominada estrutura primária. As proteínas
são sintetizadas a partir de aminoácidos activados através de uma ligação éster a
uma molécula de ARN de transferência (ARNt ou tRNA). Estes aminoácidos
activados, os aminoacil-tRNA, são sintetizados pela aminoacil-tRNA sintetase,
numa reacção dependente da presença de ATP.[83] Os ribossomas actuam então
no aminoacil-tRNA, agregando-o à cadeia polipeptídica nascente, segundo a
informação dada pelo ARN mensageiro.[84]
Síntese de nucleótidos
Os nucleótidos são sintetizados a partir de aminoácidos, dióxido de carbono
e ácido fórmico em vias metabólicas que requerem grandes quantidades de
energia.[85] As purinas são sintetizadas a partir de nucleósidos (bases ligadas
à ribose). Tanto a adenina como a guanina são sintetizadas a partir do precursor
monofosfato de inosina, que por sua vez é sintetizado usando átomos provenientes
dos aminoácidos glicina, glutamina e aspartato, assim como de formato transferido
pela coenzima tetra-hidrofolato. As pirimidinas são sintetizadas a partir da
base orotato, formada a partir da glutamina e do aspartato.[86]
Metabolismo redox e de xenobióticos
Todos os organismos são constantemente expostos a compostos que não podem
ser utilizados no metabolismo normal e que são potencialmente tóxicos se se
acumularem nas células. Tais compostos são designados xenobióticos.[87] Os
xenobióticos, incluindo substâncias como drogas sintéticas, venenos e antibióticos,
são desintoxicados usando um conjunto de enzimas específicas. Em humanos,
estas enzimas incluem as citocromo P450 oxidases,[88] as UDPglucuronosiltransferases[89] e as glutationo-S-transferases.[90]
Este sistema de enzimas actua em três fases. Na fase I, o xenobiótico é oxidado;
na fase II, existe conjugação de grupos hidrofílicos no xenobiótico oxidado, de
modo a torná-lo mais hidrossolúvel; na fase III, o xenobiótico modificado é expulso
das células, podendo sofrer mais algum metabolismo em organismos
multicelulares antes da sua excreção. Estas reacções são bastante importantes em
termos ecológicos, nomeadamente na biodegradação microbiana de agentes
poluentes e biorremediação de terras contaminadas e derrames decombustíveis.[91]
Muitas destas reacções microbianas são idênticas às existentes em organismos
multicelulares. No entanto, e graças à sua enorme diversidade, os
microorganismos conseguem desintoxicar uma variedade superior de xenobióticos
que os organismos multicelulares, conseguindo inclusivamente degradar agentes
poluentes orgânicos persistentes, como compostos organoclorados.[92]
Um problema relacionado com o dos xenobióticos prende-se com a existência
de stress oxidativo em organismos aeróbios.[93] Os processos associados à vida em
aerobiose, como afosforilação oxidativa e a formação de ligações dissulfureto em
proteínas, produzem espécies reactivas de oxigénio, como o peróxido de
hidrogénio.[94] Estas espécies danosas são removidas por antioxidantes, como
a glutationa, e enzimas, como a catalase e outras peroxidases.[95][96]
Termodinâmica de sistemas vivos
Os sistemas vivos têm de obedecer às leis da termodinâmica. A grande
complexidade dos organismos aparentemente contradiz a segunda lei da
termodinâmica, que enuncia que aentropia de um sistema fechado tende a
aumentar; no entanto, os sistemas vivos são sistemas abertos que
trocam energia e massa com o seu exterior. Assim, os organismos não se
encontram em equilíbrio termodinâmico, sendo antes sistemas dissipativos, pois
mantêm a sua ordem ao aumentar a entropia do seu ambiente.[97] O metabolismo
celular faz o acoplamento entre o processo espontâneo de catabolismo e o
processo não espontâneo de anabolismo para obter este efeito. Em termos
termodinâmicos, o metabolismo mantém a ordem ao criar desordem.[98]
Regulação e controle
Ver artigo principal: homeostase
O ambiente da maioria dos organismos encontra-se em constante mudança,
sendo necessária uma apertada regulação das reacções metabólicas de
modo a manter um conjunto de condições mais ou menos constante nas
células, chamado homeostase.[99][100] A regulação metabólica permite aos
organismos dar resposta a estímulos do exterior, permitindo a interacção com
o seu ambiente.[101] Existem dois conceitos relacionados que são importantes
para a compreensão da forma como são reguladas vias metabólicas: em
primeiro lugar, aregulação de uma enzima numa via refere-se ao aumento ou
diminuição da sua actividade enzimática em resposta a estímulos; o segundo
conceito é o controlo exercido por esta enzima na velocidade total da via por
sofrer variações na sua actividade enzimática, ou seja, o controlo do fluxo da
via metabólica.[102] Por exemplo, uma enzima pode sofrer grandes alterações
na sua actividade (ou seja, ser muito regulada) mas se estas mudanças não
tiverem um efeito significativo no fluxo da via metabólica, então esta enzima
não está envolvida no controlo da via.[103]
Efeito da insulina na absorção e metabolismo da glicose. A insulinaliga-se ao
seu receptor (1) que por sua vez inicia diversas cascatas de sinalização (2) tais
como a translocação do transportador Glut-4 para amembrana plasmática e
entrada de glicose (3), síntese de glicogénio (4), glicólise(5) e síntese de ácidos
gordos (6).
Existem diversos níveis de regulação metabólica. Na regulação intrínseca, a
via metabólica regula-se a si própria em resposta a mudanças nos níveis de
substratos ou produtos; por exemplo, uma diminuição na quantidade de
produto pode aumentar o fluxo da via para compensar essa
diminuição.[102][104] Este tipo de regulação envolve frequentemente o uso de
regulação alostérica das diversas enzimas que participam na via metabólica.
O controlo extrínseco corresponde à mudança do metabolismo de uma célula
num organismo multicelular em resposta a sinais de outras células. Estes
sinais são normalmente moléculas mensageiras solúveis,
como hormonas e factores de crescimento, e são detectados por receptores
específicos na superfície das células.[105] Tais sinais são então transmitidos
para o interior da célula por sistemas de mensageiros secundários que
envolvem frequentemente a fosforilação de proteínas.[106]
A regulação do metabolismo da glicose pela insulina é um exemplo bem
conhecido de controlo extrínseco.[107]A insulina é produzida em resposta a um
aumento da glicemia. A ligação da hormona a receptores de insulina na
superfície de células activa uma cascata de cinases que provoca a absorção
de glicose pelas células e a sua conversão a moléculas de armazenamento,
como o glicogénio e os ácidos gordos.[108] O metabolismo do glicogénio é
controlado pela actividade da glicogénio fosforilase, a enzima que hidrolisa o
glicogénio, e pela glicogénio sintase, a enzima que o sintetiza. Estas enzimas
são reguladas de forma recíproca, em que a fosforilação activa a fosforilase e
inibe a sintase. A insulina provoca a síntese de glicogénio ao activar
fosfatases, produzindo um decréscimo na fosforilação destas enzimas.[109]