Metabolismo Energético das Células – Metabolismo é a soma das reações químicas que ocorrem dentro de cada célula de um organismo vivo e que fornecem energia para processos vitais e para sintetizar novos materiais orgânicos.
Os organismos vivos são únicos, pois podem extrair energia de seus ambientes e usá-la para realizar atividades como movimento, crescimento e desenvolvimento e reprodução. Mas como os organismos vivos – ou suas células – extraem energia de seus ambientes e como as células usam essa energia para sintetizar e montar os componentes de que são feitas as células?
As respostas a essas perguntas residem nas reações químicas mediadas por enzimas que ocorrem na matéria viva (metabolismo). Centenas de reações coordenadas, em múltiplos estágios, alimentadas por energia obtida de nutrientes e / ou energia solar, convertem materiais prontamente disponíveis nas moléculas necessárias para o crescimento e a manutenção.
Metabolismo Energético das Células
No nível celular da organização, os principais processos químicos de toda a matéria viva são similares, se não idênticos. Isso é verdade para animais, plantas, fungos ou bactérias; onde ocorrem variações (como, por exemplo, na secreção de anticorpos por alguns moldes), os processos variantes são apenas variações de temas comuns. O metabolismo energético das células é, portanto, comum a todos os seres vivos.
Assim, toda a matéria viva é composta de grandes moléculas chamadas proteínas, que fornecem suporte e movimento coordenado, bem como armazenamento e transporte de pequenas moléculas e, como catalisadores, permitem que reações químicas ocorram rapidamente e especificamente sob temperatura amena, relativamente baixa concentração e condições neutras (ou seja, nem ácidas nem básicas). As proteínas são montadas a partir de uns 20 aminoácidos e, assim como as 26 letras do alfabeto podem ser reunidas de maneiras específicas para formar palavras de vários comprimentos e significados, assim podem ser dezenas ou até centenas das “letras” de 20 aminoácidos. juntou-se para formar proteínas específicas. Além disso, aquelas porções de moléculas de proteína envolvidas no desempenho de funções similares em organismos diferentes compreendem frequentemente as mesmas sequências de aminoácidos.
Existe a mesma unidade entre as células de todos os tipos na maneira pela qual os organismos vivos preservam sua individualidade e a transmitem para seus descendentes. Por exemplo, informações hereditárias são codificadas em uma seqüência específica de bases que compõem a molécula de DNA (ácido desoxirribonucleico) no núcleo de cada célula.
Apenas quatro bases são usadas na síntese de DNA: adenina, guanina, citosina e timina. Assim como o Código Morse consiste em três sinais simples – um traço, um ponto e um espaço -, o arranjo preciso dos quais é suficiente para transmitir mensagens codificadas, de modo que o arranjo preciso das bases no DNA contém e transmite as informações para a síntese e montagem de componentes de células.
Algumas formas de vida primitivas, no entanto, usam RNA (ácido ribonucléico; um ácido nucléico diferindo do DNA em conter o açúcar ribose em vez do açúcar desoxirribose e o uracilo base em vez da base timina) no lugar do DNA como portador primário da genética em formação. A replicação do material genético nesses organismos deve, no entanto, passar por uma fase de DNA. Com pequenas exceções, o código genético usado por todos os organismos vivos é o mesmo.
As reações químicas que ocorrem nas células vivas também são semelhantes. As plantas verdes usam a energia da luz solar para converter água (H2O) e dióxido de carbono (CO2) em carboidratos (açúcares e amidos), outros compostos orgânicos (contendo carbono) e oxigênio molecular (O2). O processo de fotossíntese requer energia, na forma de luz solar, para dividir uma molécula de água em metade de uma molécula de oxigênio (O2; o agente oxidante) e dois átomos de hidrogênio (H; o agente redutor), cada um deles dissociado um íon de hidrogênio (H +) e um elétron.
Através de uma série de reações de oxidação-redução, os elétrons (denotados e−) são transferidos de uma molécula doadora (oxidação), neste caso a água, para uma molécula receptora (redução) por uma série de reações químicas; esse “poder redutor” pode ser acoplado, em última análise, à redução do dióxido de carbono ao nível de carboidrato. Com efeito, o dióxido de carbono aceita e se liga ao hidrogênio, formando carboidratos (Cn [H2O]).
Organismos vivos que necessitam de oxigênio reverter esse processo: eles consomem carboidratos e outros materiais orgânicos, usando oxigênio sintetizado pelas plantas para formar água, dióxido de carbono e energia. O processo que remove os átomos de hidrogênio (contendo elétrons) dos carboidratos e os passa para o oxigênio é uma série de reações que produzem energia.
Trocas biológicas de energia – Metabolismo energético das células
As mudanças de energia associadas aos processos físico-químicos são a província da termodinâmica, uma subdisciplina da física. As duas primeiras leis da termodinâmica afirmam, em essência, que a energia não pode ser criada nem destruída e que o efeito das mudanças físicas e químicas é aumentar a desordem, ou aleatoriedade (ou seja, entropia) do universo.
Embora se possa supor que os processos biológicos – através dos quais os organismos crescem de maneira altamente ordenada e complexa, mantenham a ordem e a complexidade ao longo de sua vida e transmitam as instruções para as gerações futuras – são contrários a essas leis. assim. Os organismos vivos não consomem nem criam energia: eles só podem transformá-lo de uma forma para outra. Do meio ambiente eles absorvem energia de uma forma útil para eles; para o meio ambiente, eles retornam uma quantidade equivalente de energia em uma forma biologicamente menos útil.
A energia útil, ou energia livre, pode ser definida como energia capaz de realizar trabalho sob condições isotérmicas (condições nas quais não existe diferencial de temperatura); a energia livre está associada a qualquer alteração química. Energia menos útil do que a energia livre é devolvida ao meio ambiente, geralmente como calor. O calor não pode realizar trabalho em sistemas biológicos porque todas as partes das células têm essencialmente a mesma temperatura e pressão.
O transporte de energia química – Metabolismo energético das células
Todas as células são limitadas por membranas ou contêm organelas que possuem membranas. Essas membranas não permitem que a água ou os íons derivados da água passem dentro ou fora das células ou organelas. Nas plantas verdes, a luz solar é absorvida pela clorofila e outros pigmentos nos cloroplastos das células, denominada fotossistema II. Como mostrado anteriormente, quando uma molécula de água é dividida pela energia da luz, metade de uma molécula de oxigênio e dois átomos de hidrogênio (que se dissociam em dois elétrons e dois íons de hidrogênio, H +) são formados.
Quando excitada pela luz solar, a clorofila perde um elétron para uma molécula transportadora de elétrons, mas rapidamente a recupera de um átomo de hidrogênio da molécula de água dividida, que envia H + em solução no processo. Dois átomos de oxigênio se juntam para formar uma molécula de oxigênio gasoso (O2). Os elétrons livres são passados para o fotossistema I, mas, ao fazê-lo, uma concentração excessiva de íons de hidrogênio carregados positivamente (H +) aparece em um lado da membrana no cloroplasto, enquanto um excesso de íons de hidróxido carregados negativamente (OH-) do outro lado.
A energia livre liberada como íons H + se move através de um “poro” específico na membrana, para equalizar as concentrações de íons, é suficiente para fazer com que alguns processos biológicos funcionem, como a absorção de certos nutrientes pelas bactérias e a rotação da proteína hélices de base que permitem que essas bactérias se movam. Igualmente importante, no entanto, é que este gradiente através da membrana força a formação de adenosina trifosfato (ATP) a partir de fosfato inorgânico (HPO42−, abreviado Pi) e adenosina difosfato (ADP).
O ATP é o maior transportador de energia biologicamente utilizável em todas as formas de matéria viva. As inter-relações das reações metabólicas geradoras de energia e que requerem energia podem ser consideradas, em grande medida, como processos que associam a formação de ATP à sua decomposição.
A síntese de ATP pelas plantas verdes é semelhante à síntese de ATP que ocorre nas mitocôndrias de células de animais, plantas e fungos, e nas membranas plasmáticas de bactérias que usam oxigênio (ou outros aceptores de elétrons inorgânicos, como nitrato) para aceite elétrons da remoção de átomos de hidrogênio de uma molécula de alimento (veja abaixo Transdução de energia biológica).
Através desses processos, a maior parte da energia armazenada em materiais alimentícios é liberada e convertida em moléculas que alimentam os processos vitais. Também deve ser lembrado, no entanto, que muitos organismos vivos (geralmente bactérias e protozoários) não podem tolerar oxigênio; eles formam ATP a partir de fosfato inorgânico e ADP por fosforilações no nível do substrato (a adição de um grupo fosfato) que não envolvem o estabelecimento e o colapso de gradientes de prótons através das membranas. (Esses processos são discutidos em detalhes abaixo em O catabolismo da glicose.)
Também é preciso ter em mente que os combustíveis da vida e o “forno” celular em que eles são “queimados” são feitos dos mesmos tipos de material: se os fogos queimam demais, não apenas o combustível, mas também o forno é consumido. Portanto, é essencial liberar energia em intervalos pequenos, discretos e prontamente utilizáveis.
A complexidade relativa das vias catabólicas (pelas quais os materiais alimentares são quebrados) e a complexidade das vias anabólicas (pelas quais os componentes celulares são sintetizados) refletem essa necessidade e oferecem a possibilidade de sistemas de feedback simples controlarem a taxa na qual os materiais viajam ao longo destas sequências de reações enzimáticas. (Metabolismo Energético das Células).