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Metabolismo

Metabolismo ( / m ə t Æ b ə l ɪ z ə m / , de grego : μεταβολή metabolē , "alterações") é o conjunto de vida -sustaining reacções químicas em organismos . Os três objetivos principais do metabolismo são: a conversão de alimentos em energia para executar processos celulares; a conversão de alimento / combustível em blocos de construção para proteínas , lipídios , ácidos nucléicos e alguns carboidratos ; e a eliminação deresíduos metabólicos . Essas reações catalisadas por enzimas permitem que os organismos cresçam e se reproduzam, mantenham suas estruturas e respondam a seus ambientes. A palavra metabolismo também pode se referir à soma de todas as reações químicas que ocorrem em organismos vivos, incluindo a digestão e o transporte de substâncias para dentro e entre diferentes células, caso em que o conjunto de reações acima descrito dentro das células é chamado de metabolismo intermediário ou intermediário metabolismo. Em várias doenças, como diabetes tipo II , síndrome metabólica e câncer , o metabolismo normal é interrompido. [1]

Visão simplificada do metabolismo celular
Estrutura do trifosfato de adenosina (ATP), um intermediário central no metabolismo energético

As reações metabólicas podem ser categorizadas como catabólicas - a quebra de compostos (por exemplo, a quebra da glicose em piruvato pela respiração celular ); ou anabólico - a formação ( síntese ) de compostos (como proteínas, carboidratos, lipídios e ácidos nucléicos). Normalmente, o catabolismo libera energia e o anabolismo consome energia.

As reações químicas do metabolismo são organizadas em vias metabólicas , nas quais uma substância química é transformada por meio de uma série de etapas em outra química, cada etapa sendo facilitada por uma enzima específica . As enzimas são cruciais para o metabolismo porque permitem que os organismos conduzam as reações desejáveis ​​que requerem energia que não ocorrerão por si mesmas, acoplando -as a reações espontâneas que liberam energia. As enzimas atuam como catalisadores - permitem que a reação prossiga mais rapidamente - e também permitem a regulação da taxa de uma reação metabólica, por exemplo, em resposta a mudanças no ambiente celular ou a sinais de outras células.

O sistema metabólico de um determinado organismo determina quais substâncias ele achará nutritivas e quais venenosas . Por exemplo, alguns procariontes usam sulfeto de hidrogênio como nutriente, mas esse gás é venenoso para os animais. [2] A taxa metabólica basal de um organismo é a medida da quantidade de energia consumida por todas essas reações químicas.

Uma característica marcante do metabolismo é a semelhança das vias metabólicas básicas entre espécies muito diferentes. [3] Por exemplo, o conjunto de ácidos carboxílicos mais conhecidos como intermediários no ciclo do ácido cítrico estão presentes em todos os organismos conhecidos, sendo encontrados em espécies tão diversas como a bactéria unicelular Escherichia coli e enormes organismos multicelulares como os elefantes . [4] Essas semelhanças nas vias metabólicas são provavelmente devido ao seu aparecimento precoce na história evolutiva , e sua retenção é provavelmente devido à sua eficácia . [5] [6] O metabolismo das células cancerosas é diferente do metabolismo das células normais e essas diferenças podem ser usadas para encontrar alvos para intervenção terapêutica no câncer. [7]

Principais bioquímicos

Estrutura de um lípido de triacilglicerol
Este é um diagrama que descreve um grande conjunto de vias metabólicas humanas.

A maioria das estruturas que compõem os animais, plantas e micróbios são feitas de quatro classes básicas de moléculas : aminoácidos , carboidratos , ácidos nucléicos e lipídios (freqüentemente chamados de gorduras ). Como essas moléculas são vitais para a vida, as reações metabólicas se concentram em fazer essas moléculas durante a construção de células e tecidos, ou quebrá-las e usá-las como fonte de energia, por meio de sua digestão. Esses compostos bioquímicos podem ser unidos para formar polímeros como DNA e proteínas , macromoléculas essenciais da vida. [8]

Tipo de molécula Nome das formas monoméricasNome das formas de polímeroExemplos de formas poliméricas
Aminoácidos Aminoácidos Proteínas (feitas de polipeptídeos)Proteínas fibrosas e proteínas globulares
Carboidratos Monossacarídeos Polissacarídeos Amido , glicogênio e celulose
Ácidos nucleicos Nucleotídeos Polinucleotídeos DNA e RNA

Aminoácidos e proteínas

As proteínas são feitas de aminoácidos dispostos em uma cadeia linear unida por ligações peptídicas . Muitas proteínas são enzimas que catalisam as reações químicas no metabolismo. Outras proteínas têm funções estruturais ou mecânicas, como as que formam o citoesqueleto , um sistema de arcabouço que mantém a forma celular. [9] As proteínas também são importantes na sinalização celular , respostas imunológicas , adesão celular , transporte ativo através das membranas e o ciclo celular . [10] Os aminoácidos também contribuem para o metabolismo da energia celular, fornecendo uma fonte de carbono para a entrada no ciclo do ácido cítrico ( ciclo do ácido tricarboxílico ), [11] especialmente quando uma fonte primária de energia, como a glicose , é escassa, ou quando as células sofrem estresse metabólico. [12]

Lipídios

Os lipídios são o grupo mais diverso de bioquímicos. Seus principais usos estruturais são como parte de membranas biológicas internas e externas, como a membrana celular , ou como fonte de energia. [10] Os lipídios são geralmente definidos como moléculas biológicas hidrofóbicas ou anfipáticas , mas se dissolvem em solventes orgânicos , como álcool , benzeno ou clorofórmio . [13] As gorduras são um grande grupo de compostos que contêm ácidos graxos e glicerol ; uma molécula de glicerol ligada a três ésteres de ácidos graxos é chamada de triacilglicerídeo . [14] Existem várias variações nessa estrutura básica, incluindo backbones, como esfingosina na esfingomielina , e grupos hidrofílicos , como fosfato, como nos fosfolipídeos . Esteróides como o esterol são outra classe importante de lipídeos. [15]

Carboidratos

The straight chain form consists of four C H O H groups linked in a row, capped at the ends by an aldehyde group C O H and a methanol group C H 2 O H. To form the ring, the aldehyde group combines with the O H group of the next-to-last carbon at the other end, just before the methanol group.
A glicose pode existir tanto na forma de cadeia linear quanto na forma de anel.

Carboidratos são aldeídos ou cetonas , com muitos grupos hidroxila anexados, que podem existir como cadeias retas ou anéis. Os carboidratos são as moléculas biológicas mais abundantes e desempenham inúmeras funções, como o armazenamento e transporte de energia ( amido , glicogênio ) e componentes estruturais ( celulose nas plantas, quitina nos animais). [10] As unidades básicas de carboidratos são chamadas de monossacarídeos e incluem galactose , frutose e, principalmente, glicose . Os monossacarídeos podem ser ligados entre si para formar polissacarídeos de maneiras quase ilimitadas. [16]

Nucleotídeos

Os dois ácidos nucléicos, DNA e RNA , são polímeros de nucleotídeos . Cada nucleotídeo é composto de um fosfato ligado a um grupo de açúcar ribose ou desoxirribose que está ligado a uma base nitrogenada . Os ácidos nucléicos são essenciais para o armazenamento e uso da informação genética e sua interpretação por meio dos processos de transcrição e biossíntese de proteínas . [10] Esta informação é protegida por mecanismos de reparo de DNA e propagada através da replicação do DNA . Muitos vírus têm um genoma de RNA , como o HIV , que usa a transcrição reversa para criar um modelo de DNA a partir de seu genoma de RNA viral. [17] O RNA em ribozimas , como spliceossomos e ribossomos, é semelhante às enzimas, pois pode catalisar reações químicas. Os nucleosídeos individuais são feitos anexando uma nucleobase a um açúcar ribose . Essas bases são anéis heterocíclicos contendo nitrogênio, classificados como purinas ou pirimidinas . Os nucleotídeos também atuam como coenzimas nas reações de transferência metabólica de grupos. [18]

Coenzimas

Estrutura da coenzima acetil-CoA . O grupo acetil transferível está ligado ao átomo de enxofre na extremidade esquerda.

O metabolismo envolve uma vasta gama de reações químicas, mas a maioria se enquadra em alguns tipos básicos de reações que envolvem a transferência de grupos funcionais de átomos e suas ligações dentro das moléculas. [19] Esta química comum permite que as células usem um pequeno conjunto de intermediários metabólicos para transportar grupos químicos entre diferentes reações. [18] Esses intermediários de transferência de grupo são chamados de coenzimas . Cada classe de reações de transferência de grupo é realizada por uma coenzima particular, que é o substrato para um conjunto de enzimas que a produzem e um conjunto de enzimas que a consomem. Essas coenzimas são, portanto, continuamente produzidas, consumidas e recicladas. [20]

Uma coenzima central é o trifosfato de adenosina (ATP), a moeda universal de energia das células. Este nucleotídeo é usado para transferir energia química entre diferentes reações químicas. Existe apenas uma pequena quantidade de ATP nas células, mas como é continuamente regenerado, o corpo humano pode usar cerca de seu próprio peso em ATP por dia. [20] O ATP atua como uma ponte entre o catabolismo e o anabolismo . O catabolismo quebra as moléculas e o anabolismo as junta. As reações catabólicas geram ATP e as reações anabólicas o consomem. Ele também serve como um transportador de grupos fosfato em reações de fosforilação . [21]

Uma vitamina é um composto orgânico necessário em pequenas quantidades que não pode ser produzido nas células. Na nutrição humana , a maioria das vitaminas funciona como coenzimas após a modificação; por exemplo, todas as vitaminas solúveis em água são fosforiladas ou acopladas a nucleotídeos quando usadas em células. [22] O dinucleotídeo de adenina nicotinamida (NAD + ), um derivado da vitamina B 3 ( niacina ), é uma coenzima importante que atua como um aceptor de hidrogênio. Centenas de tipos separados de desidrogenases removem elétrons de seus substratos e reduzem o NAD + em NADH. Essa forma reduzida da coenzima é, então, um substrato para qualquer uma das redutases na célula que precise reduzir seus substratos. [23] Dinucleotídeo de adenina nicotinamida existe em duas formas relacionadas na célula, NADH e NADPH. A forma NAD + / NADH é mais importante em reações catabólicas, enquanto NADP + / NADPH é usado em reações anabólicas. [24]

A estrutura da hemoglobina contendo ferro . As subunidades das proteínas estão em vermelho e azul, e os grupos heme contendo ferro estão em verde. Do PDB : 1GZX .

Mineral e cofatores

Os elementos inorgânicos desempenham papéis críticos no metabolismo; alguns são abundantes (por exemplo, sódio e potássio ), enquanto outros funcionam em concentrações mínimas. Cerca de 99% do peso corporal de um ser humano é composto pelos elementos carbono , nitrogênio , cálcio , sódio , cloro , potássio , hidrogênio , fósforo , oxigênio e enxofre . Os compostos orgânicos (proteínas, lipídios e carboidratos) contêm a maior parte do carbono e nitrogênio; a maior parte do oxigênio e do hidrogênio está presente como água. [25]

Os elementos inorgânicos abundantes atuam como eletrólitos . Os íons mais importantes são sódio , potássio , cálcio , magnésio , cloreto , fosfato e o bicarbonato de íon orgânico . A manutenção de gradientes iônicos precisos através das membranas celulares mantém a pressão osmótica e o pH . [26] Os íons também são essenciais para a função nervosa e muscular , pois os potenciais de ação nesses tecidos são produzidos pela troca de eletrólitos entre o fluido extracelular e o fluido celular, o citosol . [27] Os eletrólitos entram e saem das células por meio de proteínas na membrana celular chamadas canais iônicos . Por exemplo, a contração do músculo depende do movimento do cálcio, sódio e potássio através de canais iónicos na membrana celular e t-túbulos . [28]

Os metais de transição estão geralmente presentes como oligoelementos nos organismos, sendo o zinco e o ferro os mais abundantes. [29] Esses metais são usados ​​em algumas proteínas como cofatores e são essenciais para a atividade de enzimas como a catalase e proteínas transportadoras de oxigênio, como a hemoglobina. [30] Os cofatores metálicos são fortemente ligados a locais específicos nas proteínas; embora os cofatores enzimáticos possam ser modificados durante a catálise, eles sempre retornam ao seu estado original ao final da reação catalisada. Os micronutrientes metálicos são absorvidos pelos organismos por transportadores específicos e se ligam às proteínas de armazenamento, como a ferritina ou a metalotioneína, quando não estão em uso. [31] [32]

Catabolismo

Catabolismo é o conjunto de processos metabólicos que quebram grandes moléculas. Isso inclui quebrar e oxidar moléculas de alimentos. O objetivo das reações catabólicas é fornecer a energia e os componentes necessários para as reações anabólicas que constroem as moléculas. [33] A natureza exata dessas reações catabólicas difere de organismo para organismo, e os organismos podem ser classificados com base em suas fontes de energia e carbono (seus grupos nutricionais primários ), conforme mostrado na tabela abaixo. As moléculas orgânicas são usadas como fonte de energia pelos organotróficos , enquanto os litotróficos usam substratos inorgânicos e os fototróficos capturam a luz solar como energia química . [34] No entanto, todas essas formas diferentes de metabolismo dependem de reações redox que envolvem a transferência de elétrons de moléculas doadoras reduzidas, como moléculas orgânicas , água, amônia , sulfeto de hidrogênio ou íons ferrosos para moléculas aceitadoras, como oxigênio , nitrato ou sulfato . Em animais, essas reações envolvem moléculas orgânicas complexas que são quebradas em moléculas mais simples, como dióxido de carbono e água. Em organismos fotossintéticos , como plantas e cianobactérias , essas reações de transferência de elétrons não liberam energia, mas são usadas como uma forma de armazenar a energia absorvida da luz solar. [35]

Classificação dos organismos com base em seu metabolismo [36]
Fonte de energialuz solarfoto- -trofe
Moléculas pré-formadasquimio
Doador de elétroncomposto orgânico organo- 
composto inorgânicolito-
Fonte de carbonocomposto orgânico hetero-
composto inorgânicoauto-

O conjunto mais comum de reações catabólicas em animais pode ser dividido em três estágios principais. No primeiro estágio, grandes moléculas orgânicas, como proteínas , polissacarídeos ou lipídios , são digeridas em seus componentes menores fora das células. Em seguida, essas moléculas menores são captadas pelas células e convertidas em moléculas menores, geralmente acetil coenzima A (acetil-CoA), que libera alguma energia. Finalmente, o grupo acetil no CoA é oxidado a água e dióxido de carbono no ciclo do ácido cítrico e na cadeia de transporte de elétrons , liberando a energia que é armazenada pela redução da coenzima nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD + ) em NADH. [33]

Digestão

As macromoléculas não podem ser processadas diretamente pelas células. As macromoléculas devem ser divididas em unidades menores antes que possam ser usadas no metabolismo celular. Diferentes classes de enzimas estavam sendo usadas para digerir esses polímeros. Essas enzimas digestivas incluem proteases que digerem proteínas em aminoácidos, bem como glicosídeos hidrolases que digerem polissacarídeos em açúcares simples conhecidos como monossacarídeos [37]

Os micróbios simplesmente secretam enzimas digestivas em seus arredores, [38] [39] enquanto os animais apenas secretam essas enzimas de células especializadas em seus intestinos , incluindo o estômago e o pâncreas e as glândulas salivares . [40] Os aminoácidos ou açúcares liberados por essas enzimas extracelulares são então bombeados para as células por proteínas de transporte ativo . [41] [42]

Um esboço simplificado do catabolismo de proteínas , carboidratos e gorduras

Energia de compostos orgânicos

O catabolismo de carboidratos é a decomposição dos carboidratos em unidades menores. Os carboidratos são geralmente introduzidos nas células depois de digeridos em monossacarídeos . [43] Uma vez lá dentro, a principal rota de decomposição é a glicólise , onde açúcares como glicose e frutose são convertidos em piruvato e algum ATP é gerado. [44] O piruvato é um intermediário em várias vias metabólicas, mas a maioria é convertida em acetil-CoA por meio da glicólise aeróbica (com oxigênio) e alimentada no ciclo do ácido cítrico . Embora um pouco mais de ATP seja gerado no ciclo do ácido cítrico, o produto mais importante é o NADH, que é feito de NAD + à medida que o acetil-CoA é oxidado. Esta oxidação libera dióxido de carbono como um produto residual. Em condições anaeróbias, a glicólise produz lactato , por meio da enzima lactato desidrogenase que reoxida NADH em NAD + para reutilização na glicólise. [45] Uma rota alternativa para a quebra da glicose é a via da pentose fosfato , que reduz a coenzima NADPH e produz açúcares pentoses como a ribose , o açúcar componente dos ácidos nucléicos .

As gorduras são catabolizadas por hidrólise em ácidos graxos livres e glicerol. O glicerol entra na glicólise e os ácidos graxos são decompostos pela oxidação beta para liberar acetil-CoA, que então é alimentado no ciclo do ácido cítrico. Os ácidos graxos liberam mais energia na oxidação do que os carboidratos porque os carboidratos contêm mais oxigênio em suas estruturas. Os esteróides também são decompostos por algumas bactérias em um processo semelhante à oxidação beta, e esse processo de decomposição envolve a liberação de quantidades significativas de acetil-CoA, propionil-CoA e piruvato, que podem ser usados ​​pela célula como energia. O M. tuberculosis também pode crescer no colesterol lipídico como única fonte de carbono, e os genes envolvidos na (s) via (s) de uso do colesterol foram validados como importantes durante vários estágios do ciclo de vida da infecção do M. tuberculosis . [46]

Os aminoácidos são usados ​​para sintetizar proteínas e outras biomoléculas ou oxidados em uréia e dióxido de carbono como fonte de energia. [47] A via de oxidação começa com a remoção do grupo amino por uma transaminase . O grupo amino é alimentado no ciclo da ureia , deixando um esqueleto de carbono desaminado na forma de um cetoácido . Vários desses cetoácidos são intermediários no ciclo do ácido cítrico, por exemplo, a desaminação do glutamato forma α- cetoglutarato . [48] Os aminoácidos glicogênicos também podem ser convertidos em glicose, por meio da gliconeogênese (discutida abaixo). [49]

Transformações de energia

Fosforilação oxidativa

Na fosforilação oxidativa, os elétrons removidos das moléculas orgânicas em áreas como o ciclo do ácido do protágono são transferidos para o oxigênio e a energia liberada é usada para produzir ATP. Isso é feito nos eucariotos por uma série de proteínas nas membranas das mitocôndrias, chamadas de cadeia de transporte de elétrons . Em procariotos , essas proteínas são encontradas na membrana interna da célula . [50] Essas proteínas usam a energia liberada pela passagem de elétrons de moléculas reduzidas como o NADH para o oxigênio para bombear prótons através de uma membrana. [51]

Mecanismo da ATP sintase . O ATP é mostrado em vermelho, ADP e fosfato em rosa e a subunidade da haste rotativa em preto.

Bombear prótons para fora da mitocôndria cria uma diferença de concentração de prótons através da membrana e gera um gradiente eletroquímico . [52] Essa força leva os prótons de volta para a mitocôndria através da base de uma enzima chamada ATP sintase . O fluxo de prótons faz a subunidade do pedúnculo girar, fazendo com que o sítio ativo do domínio da sintase mude de forma e fosforile o difosfato de adenosina  - transformando-o em ATP. [20]

Energia de compostos inorgânicos

A quimiolitotrofia é um tipo de metabolismo encontrado em procariotos, onde a energia é obtida da oxidação de compostos inorgânicos . Esses organismos podem usar hidrogênio , [53] compostos de enxofre reduzido (como sulfeto , sulfeto de hidrogênio e tiossulfato ), [2] ferro ferroso (FeII) [54] ou amônia [55] como fontes de poder redutor e ganham energia a partir do oxidação desses compostos com aceptores de elétrons, como oxigênio ou nitrito . [56] Esses processos microbianos são importantes nos ciclos biogeoquímicos globais , como acetogênese , nitrificação e desnitrificação, e são críticos para a fertilidade do solo . [57] [58]

Energia da luz

A energia da luz solar é capturada por plantas , cianobactérias , bactérias roxas , bactérias sulfurosas verdes e alguns protistas . Este processo é frequentemente associado à conversão de dióxido de carbono em compostos orgânicos, como parte da fotossíntese, que é discutida abaixo. Os sistemas de captura de energia e fixação de carbono podem, entretanto, operar separadamente em procariontes, já que as bactérias roxas e as bactérias verdes sulfurosas podem usar a luz solar como fonte de energia, enquanto alternam entre a fixação de carbono e a fermentação de compostos orgânicos. [59] [60]

Em muitos organismos, a captura de energia solar é semelhante em princípio à fosforilação oxidativa, pois envolve o armazenamento de energia como um gradiente de concentração de prótons. Essa força motriz de prótons, então, conduz a síntese de ATP [61]. Os elétrons necessários para conduzir essa cadeia de transporte de elétrons vêm de proteínas coletoras de luz chamadas centros de reação fotossintética . Os centros de reação são classificados em dois tipos, dependendo da natureza do pigmento fotossintético presente, com a maioria das bactérias fotossintéticas tendo apenas um tipo, enquanto as plantas e cianobactérias têm dois. [62]

Em plantas, algas e cianobactérias, o fotossistema II usa a energia da luz para remover elétrons da água, liberando oxigênio como produto residual. Os elétrons então fluem para o complexo do citocromo b6f , que usa sua energia para bombear prótons através da membrana tilacóide no cloroplasto . [35] Esses prótons voltam através da membrana enquanto conduzem a ATP sintase, como antes. Os elétrons então fluem através do fotossistema I e podem então ser usados ​​para reduzir a coenzima NADP +. [63] fEsta cooenzima pode ser usada no ciclo de Calvin , que é discutido abaixo, ou reciclada para geração posterior de ATP.

Anabolismo

Anabolismo é o conjunto de processos metabólicos construtivos onde a energia liberada pelo catabolismo é usada para sintetizar moléculas complexas. Em geral, as moléculas complexas que compõem as estruturas celulares são construídas passo a passo a partir de precursores pequenos e simples. O anabolismo envolve três estágios básicos. Em primeiro lugar, a produção de precursores, como aminoácidos , monossacarídeos , isoprenóides e nucleotídeos , em segundo lugar, sua ativação em formas reativas usando energia de ATP e, em terceiro lugar, a montagem desses precursores em moléculas complexas, como proteínas , polissacarídeos , lipídeos e ácidos nucleicos . [64]

O anabolismo em organismos pode ser diferente de acordo com a fonte de moléculas construídas em suas células. Autótrofos , como plantas, podem construir moléculas orgânicas complexas em células, como polissacarídeos e proteínas, a partir de moléculas simples como dióxido de carbono e água. Os heterótrofos , por outro lado, requerem uma fonte de substâncias mais complexas, como monossacarídeos e aminoácidos, para produzir essas moléculas complexas. Os organismos podem ser posteriormente classificados pela fonte final de sua energia: fotoautotróficos e foto-heterotróficos obtêm energia da luz, enquanto os quimioautotróficos e quimio-heterotróficos obtêm energia de reações de oxidação inorgânica. [64]

Fixação de carbono

Células vegetais (delimitadas por paredes roxas) cheias de cloroplastos (verdes), que são o local da fotossíntese

A fotossíntese é a síntese de carboidratos da luz solar e dióxido de carbono (CO 2 ). Nas plantas, cianobactérias e algas, a fotossíntese oxigenada divide a água, sendo o oxigênio produzido como produto residual. Este processo usa o ATP e o NADPH produzidos pelos centros de reação fotossintética , conforme descrito acima, para converter o CO 2 em glicerato 3-fosfato , que pode então ser convertido em glicose. Esta reação de fixação de carbono é realizada pela enzima RuBisCO como parte do ciclo Calvin - Benson . [65] Três tipos de fotossíntese ocorrem nas plantas, fixação de carbono C3 , fixação de carbono C4 e fotossíntese CAM . Eles diferem pela rota que o dióxido de carbono segue para o ciclo de Calvin, com plantas C3 fixando CO 2 diretamente, enquanto a fotossíntese C4 e CAM incorporam o CO 2 em outros compostos primeiro, como adaptações para lidar com luz solar intensa e condições secas. [66]

Em procariotos fotossintéticos, os mecanismos de fixação de carbono são mais diversos. Aqui, o dióxido de carbono pode ser fixado pelo ciclo de Calvin-Benson, um ciclo reverso do ácido cítrico , [67] ou a carboxilação de acetil-CoA. [68] [69] Quimioautotrofos procarióticos também fixam CO 2 por meio do ciclo de Calvin-Benson, mas usam energia de compostos inorgânicos para conduzir a reação. [70]

Carboidratos e glicanos

No anabolismo de carboidratos, os ácidos orgânicos simples podem ser convertidos em monossacarídeos , como a glicose, e então usados ​​para montar polissacarídeos como o amido . A geração de glicose a partir de compostos como piruvato , lactato , glicerol , glicerato 3-fosfato e aminoácidos é chamada de gliconeogênese . A gliconeogênese converte o piruvato em glicose-6-fosfato por meio de uma série de intermediários, muitos dos quais são compartilhados com a glicólise . [44] No entanto, essa via não é simplesmente a glicólise executada ao contrário, pois várias etapas são catalisadas por enzimas não glicolíticas. Isso é importante porque permite que a formação e a quebra da glicose sejam reguladas separadamente e evita que ambas as vias funcionem simultaneamente em um ciclo fútil . [71] [72]

Embora a gordura seja uma forma comum de armazenar energia, em vertebrados como os humanos, os ácidos graxos nessas reservas não podem ser convertidos em glicose por meio da gliconeogênese, pois esses organismos não podem converter acetil-CoA em piruvato ; as plantas têm, mas os animais não, têm a maquinaria enzimática necessária. [73] Como resultado, após inanição por longo prazo, os vertebrados precisam produzir corpos cetônicos a partir de ácidos graxos para substituir a glicose em tecidos como o cérebro que não consegue metabolizar os ácidos graxos. [74] Em outros organismos, como plantas e bactérias, este problema metabólico é resolvido usando o ciclo de glioxilato , que ignora a etapa de descarboxilação no ciclo do ácido cítrico e permite a transformação de acetil-CoA em oxaloacetato , onde pode ser usado para o produção de glicose. [73] [75] Além da gordura, a glicose é armazenada na maioria dos tecidos, como um recurso de energia disponível no tecido por meio da glicogênese, que geralmente era usada para manter o nível de glicose no sangue. [76]

Polissacarídeos e glicanos são feitos pela adição sequencial de monossacarídeos pela glicosiltransferase de um doador de açúcar-fosfato reativo, como glicose difosfato de uridina (UDP-Glc), a um grupo hidroxila aceitador no polissacarídeo em crescimento. Como qualquer um dos grupos hidroxila no anel do substrato pode ser aceitador, os polissacarídeos produzidos podem ter estruturas lineares ou ramificadas. [77] Os polissacarídeos produzidos podem ter funções estruturais ou metabólicas, ou ser transferidos para lipídeos e proteínas por enzimas chamadas oligossacariltransferases . [78] [79]

Ácidos graxos, isoprenóides e esterol

Versão simplificada da via de síntese de esteróides com os intermediários isopentenil pirofosfato (IPP), dimetilalil pirofosfato (DMAPP), geranil pirofosfato (GPP) e esqualeno mostrados. Alguns intermediários são omitidos para maior clareza.

Os ácidos graxos são produzidos pelas sintases de ácidos graxos que polimerizam e, em seguida, reduzem as unidades de acetil-CoA. As cadeias de acila nos ácidos graxos são estendidas por um ciclo de reações que adicionam o grupo acila, reduzem-no a um álcool, desidratam -no em um grupo alceno e então o reduzem novamente a um grupo alcano . As enzimas da biossíntese de ácidos graxos são divididas em dois grupos: em animais e fungos, todas essas reações de ácido graxo sintase são realizadas por uma única proteína multifuncional tipo I, [80] enquanto em plastídios vegetais e bactérias enzimas tipo II separadas realizam cada etapa no caminho. [81] [82]

Os terpenos e isoprenóides são uma grande classe de lipídeos que incluem os carotenóides e formam a maior classe de produtos naturais de plantas . [83] Esses compostos são feitos pela montagem e modificação de unidades de isopreno doadas dos precursores reativos isopentenil pirofosfato e dimetilalil pirofosfato . [84] Esses precursores podem ser feitos de diferentes maneiras. Em animais e arquéias, a via do mevalonato produz esses compostos a partir do acetil-CoA, [85] enquanto em plantas e bactérias a via não-mevalonato usa piruvato e gliceraldeído 3-fosfato como substratos. [84] [86] Uma reação importante que usa esses doadores de isopreno ativados é a biossíntese de esterol . Aqui, as unidades de isopreno são unidas para fazer esqualeno e então dobradas e formadas em um conjunto de anéis para fazer lanosterol . [87] O lanosterol pode então ser convertido em outro esterol, como colesterol e ergosterol . [87] [88]

Proteínas

Os organismos variam em sua capacidade de sintetizar os 20 aminoácidos comuns. A maioria das bactérias e plantas pode sintetizar todos os vinte, mas os mamíferos só podem sintetizar onze aminoácidos não essenciais, portanto, nove aminoácidos essenciais devem ser obtidos dos alimentos. [10] Alguns parasitas simples , como a bactéria Mycoplasma pneumoniae , carecem de toda a síntese de aminoácidos e retiram seus aminoácidos diretamente de seus hospedeiros. [89] Todos os aminoácidos são sintetizados a partir de intermediários na glicólise, no ciclo do ácido cítrico ou na via da pentose fosfato. O nitrogênio é fornecido pelo glutamato e pela glutamina . A síntese de aminoácidos não essenciais depende da formação do alfa-cetoácido apropriado, que é então transaminado para formar um aminoácido. [90]

Os aminoácidos são transformados em proteínas ao serem unidos em uma cadeia de ligações peptídicas . Cada proteína diferente possui uma sequência única de resíduos de aminoácidos: esta é sua estrutura primária . Assim como as letras do alfabeto podem ser combinadas para formar uma variedade quase infinita de palavras, os aminoácidos podem ser ligados em sequências variadas para formar uma enorme variedade de proteínas. As proteínas são feitas de aminoácidos que foram ativados pela ligação a uma molécula de RNA de transferência por meio de uma ligação éster . Este precursor aminoacil-tRNA é produzido em uma reação dependente de ATP realizada por uma aminoacil tRNA sintetase . [91] Este aminoacil-tRNA é então um substrato para o ribossomo , que se junta ao aminoácido na cadeia protéica em alongamento, usando a informação da sequência em um RNA mensageiro . [92]

Síntese e salvamento de nucleotídeos

Os nucleotídeos são feitos de aminoácidos, dióxido de carbono e ácido fórmico em vias que requerem grandes quantidades de energia metabólica. [93] Consequentemente, a maioria dos organismos tem sistemas eficientes para salvar nucleotídeos pré-formados. [93] [94] As purinas são sintetizadas como nucleosídeos (bases anexadas à ribose ). [95] Tanto a adenina quanto a guanina são feitas do precursor nucleosídeo inosina monofosfato, que é sintetizado usando átomos dos aminoácidos glicina , glutamina e ácido aspártico , bem como formato transferido da coenzima tetrahidrofolato . As pirimidinas , por outro lado, são sintetizadas a partir da base orotato , que é formada a partir da glutamina e do aspartato. [96]

Xenobióticos e metabolismo redox

Todos os organismos estão constantemente expostos a compostos que não podem usar como alimentos e seriam prejudiciais se se acumulassem nas células, pois não têm função metabólica. Esses compostos potencialmente prejudiciais são chamados de xenobióticos . [97] Xenobióticos, como drogas sintéticas , venenos naturais e antibióticos, são desintoxicados por um conjunto de enzimas que metabolizam os xenobióticos. Em seres humanos, estes incluem oxidases do citocromo P450 , [98] UDP-glucuronosiltransferases , [99] e a glutationa S -transferases . [100] Este sistema de enzimas atua em três estágios para primeiro oxidar o xenobiótico (fase I) e, em seguida, conjugar grupos solúveis em água na molécula (fase II). O xenobiótico solúvel em água modificado pode então ser bombeado para fora das células e em organismos multicelulares pode ser metabolizado antes de ser excretado (fase III). Em ecologia , essas reações são particularmente importantes na biodegradação microbiana de poluentes e na biorremediação de solos contaminados e derramamentos de óleo. [101] Muitas dessas reações microbianas são compartilhadas com organismos multicelulares, mas devido à incrível diversidade de tipos de micróbios, esses organismos são capazes de lidar com uma gama muito mais ampla de xenobióticos do que os organismos multicelulares e podem degradar até mesmo poluentes orgânicos persistentes , como compostos organoclorados . [102]

Um problema relacionado aos organismos aeróbicos é o estresse oxidativo . [103] Aqui, processos incluindo fosforilação oxidativa e a formação de ligações dissulfeto durante o dobramento de proteínas produzem espécies reativas de oxigênio , como o peróxido de hidrogênio . [104] Esses oxidantes prejudiciais são removidos por metabólitos antioxidantes , como glutationa, e enzimas, como catalases e peroxidases . [105] [106]

Termodinâmica dos organismos vivos

Os organismos vivos devem obedecer às leis da termodinâmica , que descrevem a transferência de calor e trabalho . A segunda lei da termodinâmica afirma que, em qualquer sistema fechado , a quantidade de entropia (desordem) não pode diminuir. Embora a incrível complexidade dos organismos vivos pareça contradizer essa lei, a vida é possível, pois todos os organismos são sistemas abertos que trocam matéria e energia com seus arredores. Assim, os sistemas vivos não estão em equilíbrio , mas, em vez disso, são sistemas dissipativos que mantêm seu estado de alta complexidade, causando um aumento maior na entropia de seus ambientes. [107] O metabolismo de uma célula consegue isso acoplando os processos espontâneos de catabolismo aos processos não espontâneos de anabolismo. Em termos termodinâmicos , o metabolismo mantém a ordem criando desordem. [108]

Regulação e controle

Como os ambientes da maioria dos organismos estão em constante mudança, as reações do metabolismo devem ser reguladas com precisão para manter um conjunto constante de condições dentro das células, uma condição chamada homeostase . [109] [110] A regulação metabólica também permite que os organismos respondam a sinais e interajam ativamente com seus ambientes. [111] Dois conceitos intimamente ligados são importantes para entender como as vias metabólicas são controladas. Em primeiro lugar, a regulação de uma enzima em uma via é como sua atividade é aumentada e diminuída em resposta aos sinais. Em segundo lugar, o controle exercido por essa enzima é o efeito que essas mudanças em sua atividade têm na taxa geral da via (o fluxo através da via). [112] Por exemplo, uma enzima pode mostrar grandes mudanças na atividade ( ou seja , é altamente regulada), mas se essas mudanças têm pouco efeito no fluxo de uma via metabólica, então essa enzima não está envolvida no controle da via. [113]

Efeito da insulina na captação e metabolismo da glicose. A insulina se liga ao seu receptor (1), que por sua vez inicia muitas cascatas de ativação de proteínas (2). Estes incluem: translocação do transportador Glut-4 para a membrana plasmática e influxo de glicose (3), síntese de glicogênio (4), glicólise (5) e síntese de ácidos graxos (6).

Existem vários níveis de regulação metabólica. Na regulação intrínseca, a via metabólica se auto-regula para responder a mudanças nos níveis de substratos ou produtos; por exemplo, uma diminuição na quantidade de produto pode aumentar o fluxo através do caminho para compensar. [112] Esse tipo de regulação frequentemente envolve a regulação alostérica das atividades de várias enzimas na via. [114] O controle extrínseco envolve uma célula em um organismo multicelular alterando seu metabolismo em resposta a sinais de outras células. Esses sinais estão geralmente na forma de mensageiros solúveis em água, como hormônios e fatores de crescimento, e são detectados por receptores específicos na superfície da célula. [115] Esses sinais são então transmitidos dentro da célula por sistemas de segundos mensageiros que frequentemente envolvem a fosforilação de proteínas. [116]

Um exemplo muito bem conhecido de controle extrínseco é a regulação do metabolismo da glicose pelo hormônio insulina . [117] A insulina é produzida em resposta a aumentos nos níveis de glicose no sangue . A ligação do hormônio aos receptores de insulina nas células ativa uma cascata de proteínas quinases que fazem com que as células captem glicose e a convertam em moléculas de armazenamento, como ácidos graxos e glicogênio . [118] O metabolismo do glicogênio é controlado pela atividade da fosforilase , a enzima que decompõe o glicogênio, e da glicogênio sintase , a enzima que o produz. Essas enzimas são reguladas de forma recíproca, com a fosforilação inibindo a glicogênio sintase, mas ativando a fosforilase. A insulina provoca a síntese de glicogênio ao ativar as proteínas fosfatases e produzir uma diminuição na fosforilação dessas enzimas. [119]

Evolução

Árvore evolutiva mostrando a ancestralidade comum de organismos de todos os três domínios da vida. As bactérias são coloridas de azul, os eucariotos são vermelhos e os archaea são verdes. As posições relativas de alguns dos filos incluídos são mostradas ao redor da árvore.

As vias centrais do metabolismo descritas acima, como a glicólise e o ciclo do ácido cítrico, estão presentes em todos os três domínios dos seres vivos e estavam presentes no último ancestral comum universal . [4] [120] Esta célula ancestral universal era procariótica e provavelmente um metanogênio com extenso metabolismo de aminoácidos, nucleotídeos, carboidratos e lipídeos. [121] [122] A retenção dessas vias antigas durante a evolução posterior pode ser o resultado dessas reações terem sido uma solução ótima para seus problemas metabólicos específicos, com vias como a glicólise e o ciclo do ácido cítrico produzindo seus produtos finais de forma altamente eficiente e em um número mínimo de etapas. [5] [6] As primeiras vias do metabolismo baseado em enzimas podem ter sido partes do metabolismo do nucleotídeo de purina , enquanto as vias metabólicas anteriores faziam parte do antigo mundo do RNA . [123]

Muitos modelos foram propostos para descrever os mecanismos pelos quais novas vias metabólicas evoluem. Isso inclui a adição sequencial de novas enzimas a uma via ancestral curta, a duplicação e, em seguida, a divergência de vias inteiras, bem como o recrutamento de enzimas pré-existentes e sua montagem em uma nova via de reação. [124] A importância relativa desses mecanismos não é clara, mas estudos genômicos mostraram que as enzimas em uma via provavelmente têm ancestrais compartilhados, sugerindo que muitas vias evoluíram passo a passo com novas funções criadas a partir de - etapas existentes no caminho. [125] Um modelo alternativo vem de estudos que rastreiam a evolução das estruturas das proteínas em redes metabólicas, sugerindo que as enzimas são recrutadas de forma generalizada, emprestando enzimas para desempenhar funções semelhantes em diferentes vias metabólicas (evidente no banco de dados MANET ) [126] Esses processos de recrutamento resultam em um mosaico enzimático evolutivo. [127] Uma terceira possibilidade é que algumas partes do metabolismo podem existir como "módulos" que podem ser reutilizados em diferentes vias e desempenhar funções semelhantes em diferentes moléculas. [128]

Assim como a evolução de novas vias metabólicas, a evolução também pode causar a perda de funções metabólicas. Por exemplo, em alguns parasitas, processos metabólicos que não são essenciais para a sobrevivência são perdidos e aminoácidos pré-formados, nucleotídeos e carboidratos podem ser eliminados do hospedeiro . [129] Capacidades metabólicas reduzidas semelhantes são observadas em organismos endossimbióticos . [130]

Investigação e manipulação

Rede metabólica do ciclo do ácido cítrico de Arabidopsis thaliana . Enzimas e metabólitos são mostrados como quadrados vermelhos e as interações entre eles como linhas pretas.

Classicamente, o metabolismo é estudado por uma abordagem reducionista que se concentra em uma única via metabólica. Particularmente valioso é o uso de traçadores radioativos em todo o organismo, tecidos e níveis celulares, que definem os caminhos dos precursores aos produtos finais, identificando produtos intermediários e produtos marcados radioativamente. [131] As enzimas que catalisam essas reações químicas podem então ser purificadas e sua cinética e respostas aos inibidores investigadas. Uma abordagem paralela é identificar as pequenas moléculas em uma célula ou tecido; o conjunto completo dessas moléculas é denominado metaboloma . No geral, esses estudos fornecem uma boa visão da estrutura e função das vias metabólicas simples, mas são inadequados quando aplicados a sistemas mais complexos, como o metabolismo de uma célula completa. [132]

Uma ideia da complexidade das redes metabólicas em células que contêm milhares de enzimas diferentes é dada pela figura que mostra as interações entre apenas 43 proteínas e 40 metabólitos à direita: as sequências de genomas fornecem listas contendo até 26.500 genes. [133] No entanto, agora é possível usar esses dados genômicos para reconstruir redes completas de reações bioquímicas e produzir modelos matemáticos mais holísticos que podem explicar e prever seu comportamento. [134] Esses modelos são especialmente poderosos quando usados ​​para integrar a via e os dados de metabólitos obtidos por meio de métodos clássicos com dados de expressão gênica de estudos proteômicos e de microarranjos de DNA . [135] Usando essas técnicas, um modelo do metabolismo humano foi agora produzido, o que guiará a descoberta de drogas futuras e pesquisas bioquímicas. [136] Esses modelos agora são usados ​​em análise de rede , para classificar doenças humanas em grupos que compartilham proteínas ou metabólitos comuns. [137] [138]

Redes metabólicas bacterianas são um exemplo notável de organização gravata borboleta [139] [140] [141] , uma arquitetura capaz de inserir uma ampla gama de nutrientes e produzir uma grande variedade de produtos e macromoléculas complexas usando relativamente poucas moedas comuns intermediárias.

Uma das principais aplicações tecnológicas dessas informações é a engenharia metabólica . Aqui, organismos como leveduras , plantas ou bactérias são geneticamente modificados para torná-los mais úteis em biotecnologia e auxiliar na produção de medicamentos , como antibióticos ou produtos químicos industriais, como 1,3-propanodiol e ácido chiquímico . [142] Essas modificações genéticas geralmente visam reduzir a quantidade de energia usada para produzir o produto, aumentar os rendimentos e reduzir a produção de resíduos. [143]

História

O termo metabolismo é derivado do francês "métabolisme" ou do grego antigo μεταβολή - "Metabole" para "uma mudança" que derivou de μεταβάλλ - "Metaballein" significa "mudar" [144]

O metabolismo de Aristóteles como um modelo de fluxo aberto

Filosofia grega

As partes dos animais, de Aristóteles , apresenta detalhes suficientes de suas visões sobre o metabolismo para que um modelo de fluxo aberto seja feito. Ele acreditava que em cada estágio do processo, os materiais dos alimentos eram transformados, com o calor sendo liberado como o elemento clássico do fogo e os materiais residuais sendo excretados como urina, bile ou fezes. [145]

Medicina islâmica

Ibn al-Nafis descreveu o metabolismo em seu trabalho de 1260 DC intitulado Al-Risalah al-Kamiliyyah fil Siera al-Nabawiyyah (O Tratado de Kamil sobre a Biografia do Profeta), que incluiu a seguinte frase "Tanto o corpo quanto suas partes estão em um estado contínuo de dissolução e nutrição, então eles estão inevitavelmente passando por mudanças permanentes. " [146]

Aplicação do método científico

A história do estudo científico do metabolismo se estende por vários séculos e passou do exame de animais inteiros nos primeiros estudos para o exame de reações metabólicas individuais na bioquímica moderna. Os primeiros experimentos controlados no metabolismo humano foram publicados por Santorio Santorio em 1614 em seu livro Ars de statica medicina . [147] Ele descreveu como se pesava antes e depois de comer, dormir , trabalhar, fazer sexo, jejuar, beber e excretar. Ele descobriu que a maior parte da comida que ingeria se perdia no que chamou de " transpiração insensível ".

Santorio Santorio em seu balanço de aço , de Ars de statica medicina , publicado pela primeira vez em 1614

Nesses primeiros estudos, os mecanismos desses processos metabólicos não haviam sido identificados e pensava-se que uma força vital animava o tecido vivo. [148] No século 19, ao estudar a fermentação do açúcar em álcool pela levedura , Louis Pasteur concluiu que a fermentação era catalisada por substâncias dentro das células de levedura que ele chamou de "fermentos". Ele escreveu que "a fermentação alcoólica é um ato correlacionado com a vida e a organização das células de levedura, não com a morte ou putrefação das células". [149] Esta descoberta, juntamente com a publicação de Friedrich Wöhler em 1828 de um artigo sobre a síntese química da ureia , [150] é notável por ser o primeiro composto orgânico preparado a partir de precursores totalmente inorgânicos. Isso provou que os compostos orgânicos e as reações químicas encontradas nas células não eram diferentes, em princípio, de qualquer outra parte da química.

Foi a descoberta das enzimas no início do século 20 por Eduard Buchner que separou o estudo das reações químicas do metabolismo do estudo biológico das células e marcou o início da bioquímica . [151] A massa de conhecimento bioquímico cresceu rapidamente ao longo do início do século XX. Um dos mais prolíficos desses bioquímicos modernos foi Hans Krebs, que fez grandes contribuições ao estudo do metabolismo. [152] Ele descobriu o ciclo da ureia e, mais tarde, trabalhando com Hans Kornberg , o ciclo do ácido cítrico e o ciclo do glioxilato. [153] [75] A pesquisa bioquímica moderna tem sido muito auxiliada pelo desenvolvimento de novas técnicas, como cromatografia , difração de raios-X , espectroscopia de RMN , marcação radioisotópica , microscopia eletrônica e simulações de dinâmica molecular . Essas técnicas permitiram a descoberta e análise detalhada das muitas moléculas e vias metabólicas nas células.

Veja também

  • iconPortal de metabolismo
  • Metabolismo antropogênico
  • Antimetabólito
  • Taxa metabólica basal
  • Calorimetria  - Medição do estado termodinâmico
  • Microcalorimetria isotérmica
  • Erros inatos do metabolismo
  • Hipótese do mundo ferro-enxofre  - Cenário hipotético para a origem da vida, uma teoria do "metabolismo primeiro" da origem da vida
  • Desordem metabólica
  • Microfisiometria
  • Grupos nutricionais primários
  • Respirometria  - Estimativa das taxas metabólicas medindo a produção de calor
  • Metabolismo da corrente
  • Metabolismo do enxofre
  • Efeito térmico dos alimentos
  • Metabolismo urbano
  • Metabolismo da água
  • Metabolismo de transbordamento
  • Reactome  - Banco de dados de vias biológicas
  • KEGG

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links externos

Informação geral

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  • A Bioquímica do Metabolismo
  • Sparknotes SAT bioquímica Visão geral da bioquímica. Nível escolar.
  • MIT Biology Hypertextbook Guia de nível de graduação para biologia molecular.

Metabolismo humano

  • Topics in Medical Bioquímica Guide to human metabolic pathways. Nível escolar.
  • THE Medical Biochemistry Page Recurso abrangente sobre o metabolismo humano.

Bancos de dados

  • Fluxograma das vias metabólicas no ExPASy
  • Gráfico de vias metabólicas IUBMB-Nicholson
  • SuperCYP: Banco de dados para metabolismo de drogas citocromo

Vias metabólicas

  • Caminho de referência do metabolismo
  • O ciclo do nitrogênio e a fixação do nitrogênio na máquina Wayback (índice de arquivo)
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