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A PRODUÇÃO DE ENERGIA E SEU CONSUMO NO METABOLISMO

A PRODUÇÃO DE ENERGIA E SEU CONSUMO NO METABOLISMO

 

ENERGIA E ORDEM BIOLÓGICA:

 

As leis da física e da química estão presentes no mundo biológico, criando uma ordenação a nível celular, de forma que estas se equiparam a motores de alta eficiência, realizando trabalho mecânico, químico, osmótico, elétrico de forma que em cada nível de sua estrutura seja criado um alto grau de ordem. E, na medida em que se alimentam, desenvolvem-se e crescem, vão criando essa ordem a partir de matérias-primas que não possuem. Mas, como isso é possivel termodinamicamente, já que a segunda lei da termodinâmica afirma que o grau de desordem no Universo tende somente a crescer? A resposta é que os seres vivos retiram combustível de seu meio ambiente, produzindo energia para seu consumo e refugando o calor para o meio ambiente. Portanto, os organismos não são um sistema isolado no senso termodinâmico.

A ordem biológica só se torna possível através dessa liberação de calor pelas células. O calor é a forma de energia mais desordenada, causando o movimento aleatório de átomos e moléculas, e a liberação do calor para o meio externo, através das reações produzidas no meio celular, ordenam esses átomos e moléculas, criando ordem e estabilidade. Esta ordenação é consequida através da degradação de algum combustível. A energia solar, como fonte de energia entra na Biosfera como essa principal fonte energética.

A vida na terra é uma dádiva do sol. É através dos fótons de luz solar que a clorofila fabrica as substâncias alimentares e produz oxigênio, usados pelos seres vivos em suas atividades vitais. O sol é uma enorme fonte de energia sem a qual a vida na Terra não existiria. Calcula-se que, da energia solar que recebemos, apenas 0,24% é utilizada em todas as manifestações vitais terrestres. O resulatado mais notável do processo fotossintético  é a fixação inicial de CO2 que irá resultar na formação de açucares. Esses açucares, através de vias metabólicas subsequentes logo serão convertidos em pequenas e grandes moléculas essenciais para as células das plantas, e posteriormente aproveitadas como fonte de energia para outros seres vivos. As moléculas orgânicas, produzidas pelas plantas, fornecem os blocos de construção para outros organismos que irão se alimentar através delas. Todos os tipos de moléculas de plantas servem a este propósito, fornecendo açucares, proteínas, lipídios e muitos outros metabólitos.

Plantas, animais e microrganismos fazem parte de um conjunto integrado de meio ambiente um dos outros. O oxigênio liberado pelas plantas é utilizado pelos organismos aeróbicos para produzirem sua energia e como refugo liberam CO2, que por sua vez será utilizado pelos organismos fotossintéticos para fixar as biomoléculas necessárias a todos os organismos, sendo então um processo cíclico initerrupto em toda a Biosfera. gerando, através da evolução, a desconcertante variedade de vida em nosso planeta.

 

A ENERGIA É O TEMA CENTRAL DA VIDA:

As células e os organismos pluricelulares dependem de um suprimento de energia constante para poderem se opor a tendência inexorável natural para a queda de níveis energéticos para o meio ambiente. Os organismos nunca estão em equilíbrio com seu ambiente. No curso da evolução biológica, um dos primeiros estágios deve ter sido o aparecimento de uma membrana lipídica que envolveu moléculas hidrossolúveis de uma célula primitiva, separando-a do meio circundante e permitindo que dentro dela se acumulassem concentrações de metabólitos relativamente altas, criando assim um gradiente de desequilíbrio com o meio externo. Com isto, podemos afirmar que os organismos vivos nunca estão em equilíbrio com o meio ambiente. Somente a morte e consequente decomposição do organismo leva a energia para níveis menores, igualando-se com o meio. Durante o crescimento do organismo, a energia dos alimentos é empregada na construção de moléculas complexas e na concentração de íons no meio intracelular. Quando o organismo cessa de realizar o metabolismo (morte), esta energia é dissipada gradualmente em retorno para o meio externo, pois o cadéver orgânico não pode manter gradientes de concentração desiguais com o meio, os íons e as biomoléculas retornam para o meio ambiente, vindo consecutivamente a se degradar em substâncias mais simples, vindo a servir como recurso nutricional para diversos seres vivos. Embora  a composição química de um organismo vivo possa ser quase constante ao longo do tempo, a população de moléculas dentro de uma célula viva está longe de ser estática. As moléculas de hemoglobina que carregam oxigênio de seus pulmões para seu cérebro foram sintetizadas no mês passado, e logo serão degradas e substituidas por novos elementos.


                   

                       CICLO DO USO CONTÍNUO DE ENERGIA PELOS SERES VIVOS



Os seres vivos usam duas estratégias para retirarem energia de seu meio:

1- Eles obtêm combustível químico e extraem energia oxidando-os (forçando a passagem de elétrons entre moléculas).

2- Eles absorvem energia solar.

Os organismos vivos podem ser divididos em duas vastas categorias, segundo suas fontes energéticas:

Fototrópicos - que utilizam a luz solar como fonte de energia.

Quimiotrópicos _ que obtêm energia oxidando moléculas reduzidas.

Os fototrópicos podem ser ainda divididos em autotróficos_ que obtêm todo o carbono necessário através do CO2; e os heterotróficos_ que necessitam de outros nutrientes orgânicos. Nenhum quimiotrófico pode obter seus átomos de carbono exclusivamente a partir de CO2( não há autotróficos neste grupo), mas podem ser divididos ainda por diferentes critérios; se os combustíveis que eles oxidam são inorgânicos(litotróficos), ou orgânicos(organotróficos). A maioria dos organismos conhecidos pertencem a estas quatro grandes categorias, autotróficos e heterotróficos entre os fototrópicos e litotróficos e organotróficos entre os quimiotrópicos.


                              

                                           CICLO ENERGÉTICO DO METABOLISMO

                 

CÉLULAS OBTÊM ENERGIA A PARTIR DA OXIDAÇÃO DE MOLÉCULAS BIOLÓGICAS:

As células são transdutores consumados de energia, capazes de interconverter energia química, eletromagnética, mecânica e osmótica com grande eficiência, embora necessitem funcionar a mesma constante de temperatura e pressão. O fluxo de calor não é uma fonte utilizável de energia, portanto as células são motores químicos funcionando a uma temperatura constante.

Para que este initerrupto trabalho de conversão de energia seja processado de maneira ordenada, existem etapas que fazem parte deste conjunto de reações, a qual chamamos de metabolismo.

O metabolismo é dividido em duas etapas:

Catabolismo_ também chamado de reação degradativa, geralmente utiliza-se de reações hidrolíticas(clivagem de uma reação covalente com o uso de H2O), e são exergônicas(produzem mais energia do que consomem). a glicólise e a fosforilação oxidativa são exemplos de reações catabólicas.

Anabolismo_ reações reguladas por enzimas, que irão requerer energia estão envolvidas no anabolismo. A construção de biomoléculas complexas  à partir de precursores mais simples são chamdas de reações anabólicas ou biossintéticas e envolvem desidratação( formação de H2O), e também consomem mais energia do que liberam no sistema, sendo classificadas como endergônicas.

OXIDAÇÃO DE MOLÉCULAS BIOLÓGICAS PARA OBTENÇÃO DE ENERGIA:

Oxidação não significa somente o envolvimento de átomos de oxigênio em uma reação. Aplica-se para qualquer reação na qual elétrons são transferidos de um átomo para o outro. Oxidação têm a ver com remoção de elétrons criando gradiente de energia com outro átomo que o recebe e fica portanto reduzido, acumulando energia. Reações de oxiredução estão sempre acopladas, pois cada vez que uma substância é oxidada,outra é reduzida.

Átomos de carbono e hidrogênio das moléculas utilizadas para obtenção de energia pela célula não estão na sua forma mais estável, pois possuem muita energia potencial para ser liberada. Na presença de oxigênio, a molécula contendo carbono mais estável é o CO2 e de hidrogênio é H2O. Uma célula é, portanto, capaz de obter energia de açucares e lipídios, formando como subprodutos CO2 e H2O. porém este processo de oxidação é feito de forma gradativa, diferentemente do que acontece com uma tora em chamas o que ocassionaria a destruição da célula pelo calor excessivo. Através do uso de enzimas, as moléculas passam  por um número variável de reações, podendo ou não envolver oxigênio.

Em muitas oxidações celulares, elétrons e prótons(íons de hidrogênio H+) são removidos ao mesmo tempo, isto é equivalente a remoção de átomos de hidrogênio, elas também são chamadas de reações de desidrogenação, um exemplo é a oxidação(desidrogenação) do metano, que é oxidado em dióxido de carbono(CO2), através da remossão sucessiva de seus átomos de hidrogênio. Quando dois átomos formam uma ligação covalente, o átomo que fica com a maior carga de elétrons, compartilhados em sua órbita, adquire uma carga negativa parcial e é dito estar em estado reduzido, enquanto o outro átomo que se tornou parcialmente positivo é dito oxidado.

PARTE DA ENERGIA LIBERADA NAS REAÇÕES DE OXIDAÇÃO ESTÁ LIGADA NA FORMAÇÃO DE ATP:

                                

                                                                 MOLÉCULA DE ATP

Células derivam energia útil na queima gradual de glicose de uma maneira complexa e muito controlada. Através de reações enzimáticas direcionadas. As reações químicas de síntese ou anabólicas, que criam ordem biológica, estão intimamente ligadas a reações degradativas, ou catabólicas, que fornecem energia.

Muitas reações químicas nas células são energeticamente desfavoráveis. Essas reações são consumadas pela energia liberadas através da hidrólise de ATP por enzimas. Entre essas reações, estão aquelas envolvidas na síntese de moléculas biológicas, no transporte ativo de moléculas através das membranas celulares e na geração de força e movimento.

Muito da energia liberada durante as reações de oxiredução é armazenada dentro das células pela formação de ATP. Especificamente um grupo fosfato Pi é adicionado a uma molécula de ADP com insumo de energia para formar ATP. O ATP têm duas ligações ricas em energia(~), quando uma deslas se rompe, libera aproximadamente 10 Kcalmol de energia. Geralmente uma ligação apenas é rompida, segundo a equaçõa ATP ---> ADP + Pi + energia. A adição de Pi a um composto químico é chamada de fosforilação. Os organismos utilizam 3 mecanismos de fosforilação para criação de ATP à partir de ADP.

FOSFORILAÇÃO EM NÍVEL DE SUBSTRATO> O ATP é gerado quando um Pi de alta energia é diretamente transferido de um composto fosforilado(substrato) a uma molécula de ADP. Geralmente o Pi adiquiriu sua energia durante uma reação inicial na qual o próprio substrato foi oxidado.

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA> Este processo ocorre em membranas plasmáticas de procariontes e nas membranas internas das mitocôndrias nas células eucariontes. Dá-se pela transferência de elétrons de um composto orgânico para carreadores  de elétrons especializados_ geralmente coenzimas NAD+(nicotinaminas adenosinas dinucleotídeo). Esses elétrons são repassados para outras enzimas carreadoras que estão fixadas na membrana e transferidos para moléculas de oxigênio, gerando H2O. Esta transfrência de elétrons vai gerando energia, que será utilizada para formar ATP, por um processo conhecido como quimiosmose.

                              

                                  TRANSFERÊNCIA DE ELÉTRONS PARA NAD+


FOTOFOSFORILAÇÃO> Ocorre somente em células fotossintéticas, que contêm pigmentos que absorvem a radiação eletromagnética do sol. Como na fosforilação oxidativa, uma cadeia de carreadores de elétrons também está envolvida (ver tópico fotossíntese).

VIAS METABOLICAS DE PRODUÇÃO DE ENERGIA:

Os organismos liberam e armazenam energia de moléculas orgânicas por uma série de reações controladas. Para extrair energia de compostos orgânicos e armazená-la na forma química, os organismos passam elétrons de um composto a outro através de uma série de reações de oxiredução. Uma sequência de reações químicas, enzimaticamente catalisadas ocorrendo em uma célula é chamada de via metabólica. À seguir é apresentada uma via metabólica hipotética que converte A no produto final F em uma série de 5 passos.

1) A é convertido em B através de enzima, e ao mesmo tempo temos uma reação acoplada em que A cede um hidreto(H-) para que NAD+ seja reduzida e passe para NADH.

2) B é convertido em C através de reação enzimática.

3) C é convertido em D através de enzima, e ao mesmo tempo temos uma outra reação acoplada em que C cede uma molécula Pi para que ADP seja convertido em ATP.

4) D é convertido em E através de reação enzimática.

5) E é convertido em F, o produto final, onde além de atuação enzimática, temos como reagente O2 e como subprodutos CO2 e H2O.

TRANSFORMAÇÃO E ARMAZENAMENTO DE ENERGIA:

Nos animais, os ácidos graxos são do ponto de vista quantitativo, uma fonte energética muito  mais importante do que os carboidratos. Enquanto uma molécula grama(mol) de glicose gera 38 mol de ATP, um ácido palmítico gera aproximadamente 126 mol de ATP. Um homem adulto tem energia depositada em glicogênio(macromolécula glicídica com cadeias de glicose) para durar apenas 1 dia. Os ácidos graxos podem fornecer energia por mais um mês. Quando o organismo está em repouso, as células usam mais glicose, proveniente do glicogênio, porém, durante  o exercício físico, existe a necessidade de mobilização de ácidos graxos depositados_porque não usar diretamente estes lipídeos? Resposta_ o processo de oxidação dos ácidos graxos demanda etapas mais elaboradas e demoradas que a glicólise.

                                   

                                          RESERVAS ENERGÉTICAS NO CITOPLASMA       

O citoplasma contêm energia acumulada em macromoléculas de triglicerídeos e glicogênio e também em moléculas intermédias metabólicas ricas em energia, entre as quais se destaca o ATP(adenosina trifosfato), uma das principais fornecedoras de energia imediata para a célula.

Os triglicerícerideos e glicogênio representam acumulo de energia sob forma estável e concentrada, mais de díficil obtenção. Já a molécula de ATP é um composto instável, com menor capacidade energética, mais de fácil utilização pois seu rompimento não requer muitas reações e a enzima que coordena  estes rompimentos, a ATPase é muito abundante no citoplasma. A decomposição da glicose em H2O e CO2, que ocorre no processo de respiração celular, rende cerca de 690 Kcalmol em energia , enquanto que a hidrólise da molécula de ATP em ADP(adenosina difosfato), gera cerca de 10 Kcalmol. O glicogênio e os ácidos graxos  podem ser comparados a dinheiro guardado no banco, em maior quantidade e mais seguro, enquanto que a molécula de ATP é alegoricamente o dinheiro de nossa carteira, fácil de utilizar mais em menor quantidade.

A queima da glicose  libera energia e consome oxigênio, produzindo calor, H2O e CO2,  segundo a reação: C6H12O6 + 6O2  ------> 6CO2 + 6H2O + energia. Esta combustão da glicose é, no entanto, um processo violento. Se for efetuado de uma só vez pode causar sérios danos à célula, porém estas desenvolveram um sistema que oxida lentamente os nutrientes, liberando energia gradualmente  e liberando H2O e CO2. Este processo que consome O2 e produz H2O, CO2 e ATP chamamos de respiração celular.

A RESPIRAÇÃO CELULAR E METABOLISMO: 

O Organismo, com todos seus epitélios de revestimentos viscerais ou parietais, barreiras de proteção vascular e cutânea (pele), composta pela derme e epiderme formada por vários extratos (camadas) sendo a última camada formada por células mortas queratinizadas e impermeabilizantes, ainda assim faz do organismo multicelulares superiores um sistema aberto. Trata-se de um sistema aberto porque o organismo depende integralmente do ambiente externo para subsistência orgânica, ou seja: necessita retirar do ambiente externo os substratos, nutrientes, água, sais minerais e oxigênio para manter a sua fisiologia interna (funcionamento dos mecanismos orgânicos). Na realidade o organismo necessita mesmo é de gerar uma determinada quantidade de energia que deve ser suficiente para manter o funcionamento das estruturas orgânicas que permitem ou tornam viável a vida de um organismo complexo e evoluído, que necessita de fontes energéticas para efetivar atos biológicos, como o deslizar dos filamentos musculares que permitem a grosso modo a locomoção, a manutenção da ortostase (manutenção da postura em pé); ou mesmo a movimentação de cílios no trato respiratório e flagelos que locomovem os espermatozóides. Quase todos os processos e transformações orgânicas necessárias para a realização da vida dentro ou fora das células requerem demanda energética de forma direta ou mesmo indireta, incluindo a produção de hormônios até a manutenção dos impulsos nervosos que produzem respostas complexas como o controle motor (controle dos movimentos) ou mesmo o pensamento. Desta forma somos sistemas orgânicos abertos que buscam no ambiente externo substratos para obtenção de energia. Através do ambiente adquirimos nutrientes incorporados em nosso sistema digestório, processo que se inicia desde a mastigação. Vários componentes nutricionais são incorporados em na dieta, vitaminas, sais minerais, proteínas, aminoácidos e todos são importantes para o desenvolvimento das mais complexas atividades bioquímicas, porém para obtenção de energia temos principalmente a glicose, as gorduras representadas pelos triglicerídeos e ácidos graxos e as proteínas e aminoácidos. As células podem gerar energia utilizando qualquer um destes substratos, porém o “alimento favorito” da célula é um açúcar denominado glicose. A energia no corpo vivo é conformacionada como ATP, (trifosfato de adenosina). Qual o caminho que a glicose toma em no corpo? Do ponto de vista tanto químico como biológico, o que se  ingere não é a glicose, propriamente dita, mas uma molécula que é a junção de várias moléculas de glicose: o amido.

Farinha de trigo tem amido, também no milho, na batata, etc... Quando ingerimos algum desses alimentos contendo amido, o nosso estômago inicia a digestão, ou seja, a quebra de nutrientes, e nisso, o amido é transformado em sacarose. A sacarose não é tão grande quanto a glicose, mas nem tão pequena quanto a esta. Geralmente, a sacarose é formada pela junção de apenas 2 moléculas,  a glicose e frutose. É bastante encontrado em açúcar refinado. A sacarose é quebra da em glicose e frutose. Feito isso, o nosso estômago sabe qual glicose e frutose vai ou não ter uso imediato, enviando a glicose "inútil" àquele momento para ser armazenado no fígado, em forma de glicogênio.

Através da chamada respiração celular transformamos o “nosso alimento”, a glicose, em energia, na forma de ATP, substrato necessário para manter em funcionamento todo o nosso organismo. O processo de respiração celular ocorre na mitocôndria, organela celular. A glicose, dentro da célula, entra na mitocôndria e passa por um ciclo de transformações, denominado ciclo de Krebs. A partir deste ciclo, a glicose degradada, em contato com o oxigênio presente na mitocôndria, gera 36 moléculas de ATPs. Sem o oxigênio, a glicose dentro da célula tornar-se-ia ácido lático, ou lactato, e não haveria produção suficiente de energia para mantermos o nosso corpo em funcionamento.

 

 

                                      
                                        Esta é a molécula da glicose: C6 H12 O6.

 

 A glicose ocupa uma posição central no metabolismo de muitos seres vivos, apresentando um nível relativamente alto de energia potencial, o que a torna um bom combustível para as reações que ocorrem no ambiente intracelular. Este facto é potenciado pela possibilidade de armazenamento celular em formas poliméricas de elevado peso molecular (amido, glicogénio, etc.) que são compatíveis homeostaticamente (não desregulam os níveis de glicose no sangue). A glicose, em situações de exigência energética, vai ser libertada destas formas poliméricas de armazenamento, ficando disponível para entrar em processos de oxidação e consequente extracção de ATP. É de realçar, que a glicose é também usada como percursor de inúmeros intermediários metabólicos em reações de biossíntese.
                                                        
De uma forma geral, podemos apontar três vias metabólicas principais para a glicose:
• o seu armazenamento (como polissacárido);
• a sua oxidação pela via das pentoses-fosfato, originando ribose-5-fosfato para a síntese de ácidos nucleicos, e de NADPH para processos de redução;
• a oxidação via glicólise originando piruvato e providenciando ATP e intermediários metabólicos de outras vias.

                                              ROTA METABÓLICA DA GLICOSE

 

 
a glicose oriunda da circulação sangüínea (glicose sérica) alcança o interstício, onde atravessa a membrana celular, com a “ajuda” da insulina. A glicose, por ser uma molécula grande, não consegue atravessar a membrana celular. A insulina, ao se ligar aos receptores presentes na membrana celular, faz com que canais se abram, permitindo, assim, a entrada da glicose na célula. Dentro da célula no citoplasma, a glicose é degradada por enzimas presentes no citoplasma, gerando 2 moléculas de ATP + piruvato (ácido piruvico).

 

                                        

 

o ácido piruvico gerado a partir da degradação da glicose, fenômeno ocorrido na etapa glicolítica, sofre ações enzimáticas e é convertido em ácido oxalacético, que nesta etapa, já no interior da mitocôndria, sofre um processo bioquímico com a presença imprescindível do O2, formando 36 ATP (considerando os 2 ATPs formados na etapa glicolítica) e H2O. O oxigênio elemento fundamental para execução desta etapa, é removido da atmosfera pelo processo de ventilação pulmonar e hematose, onde o O2 pode ser transportado às células através da circulação sanguínea vinculado ao ferro existente nas moléculas de hemoglobina contidas nas hemaceas (células vermelhas do sangue).

 

 

 


 

 

 

 BIBLIOGRAFIA: 

 

PRINCÍPIOS GERAIS DE BIOQUÍMICA _ LEHNINGER 
BIOLOGIA CELULAR E MOLECULAR _ JUNQUEIRA CARNEIRO 
BIOQUÍMICA_ STRYER 
A CÉLULA, UMA ABORDAGEM MOLECULAR_ COOPER 
BIOLOGIA MOLECULAR DA CÉLULA_ BRUCE ALBERTS 
BIOLOGIA MOLECULAR BÁSICA_ A.ZAHA 
MICROBIOLOGIA_TORTORA
BIOQUÍMICA ANIMAL_ A,CORREA
BASES DA BIOLOGIA MOLECULAR E CELULAR_DE ROBERTIS
 
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