Metabolismo Origem: Wikipédia, a enciclopédia livre.

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 acoplá-

las 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 (SO4

2-

).[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 quimio-

heterotróficos 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 acetil-

CoA.[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-3-

fosfato 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 UDP-

glucuronosiltransferases[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]