Introdução ao metabolismo

A célula viva é uma “indústria” química em miniatura, onde milhares de reações ocorrem em espaços microscópicos. Açúcares podem ser convertidos em aminoácidos que se ligam para formar proteínas quando necessário. Inversamente, quando o alimento é digerido, as proteínas são desmembradas em aminoácidos que podem ser convertidos em açúcares.

O processo conhecido como respiração celular movimenta a economia celular, extraindo a energia armazenada em açúcares e outros combustíveis. As células utilizam essa energia para realizar diversos tipos de trabalhos – por exemplo, síntese de polímeros, bombeamento de substâncias através de membranas, movimento e reprodução. A energia armazenada nas moléculas orgânicas dos alimentos vem fundamentalmente do sol.

A fotossíntese gera oxigênio e moléculas orgânicas utilizados pelas mitocôndrias de eucariotos (incluindo plantas e algas) como combustível para respiração celular. A respiração decompõe esse combustível, gerando ATP. Os produtos que sobram desse tipo de respiração, dióxido de carbono e água, são as matérias-primas para a fotossíntese.

O metabolismo

A totalidade de reações químicas de um organismo é chamada de metabolismo (do grego, metabole, mudança). O metabolismo é uma propriedade emergente da vida que surge das interações ordenadas entre as moléculas.

O metabolismo da célula funciona como um grande mapa de estradas, cheio de caminhos que se cruzam. Nele, acontecem milhares de reações químicas organizadas em rotas chamadas de vias metabólicas. Cada uma dessas rotas começa com uma molécula específica, que vai sendo transformada aos poucos, passando por várias etapas até se tornar um produto final. Em cada uma dessas etapas, uma enzima específica age para acelerar a reação.

O metabolismo como um todo controla os recursos materiais e energéticos da célula. Algumas rotas metabólicas liberam energia decompondo moléculas complexas em compostos simples. Esses processos de decomposição são denominados rotas catabólicas, ou rotas de decomposição. A principal rota do catabolismo é a respiração celular, em que a glicose e outros combustíveis orgânicos são decompostos em dióxido de carbono e água, na presença de oxigênio.

As rotas anabólicas, por outro lado, consomem energia para fabricar moléculas complexas a partir de moléculas mais simples; algumas vezes, elas são denominadas rotas biossintéticas. Exemplos de anabolismo são a síntese de um aminoácido a partir de moléculas mais simples e a síntese de uma proteína a partir de aminoácidos.

A primeira lei da termodinâmica

De acordo com a primeira lei da termodinâmica, a energia do universo é constante. Energia pode ser transformada e transferida, mas não pode ser criada ou destruída. A primeira lei é conhecida como o princípio da conservação de energia. Uma companhia elétrica não cria energia, apenas a converte em uma forma conveniente para utilização. Pela conversão da luz solar em energia química, as plantas atuam como transformadoras de energia e não como produtoras de energia.

A segunda lei da termodinâmica

Se a energia não pode ser destruída, por que os organismos não conseguem reciclar sua energia repetidamente? A cada transferência ou transformação de energia, parte da dela se torna não utilizável, incapaz de realizar trabalho.

As reações químicas neste urso-pardo converterão a energia química do peixe em energia cinética de movimento. À medida que o urso-pardo corre, a desordem é aumentada ao redor dele pela liberação de calor e de pequenas moléculas, subprodutos do metabolismo.

O ATP

O ATP consiste em uma molécula orgânica chamada de adenosina ligada a uma série de três grupos fosfato:

Quando três fosfatos estão presentes em série, como no ATP, um fosfato pode ser liberado como resultado de uma reação com a água. Tendo perdido um de seus fosfatos, o ATP se torna adenosina difosfato, ou ADP. Embora às vezes se diga que o ATP “armazena” energia, é mais correto considerá-lo uma molécula que “armazena” o potencial de reagir com água. Essa reação libera energia que pode ser utilizada pela célula.

O ciclo do ATP

A energia liberada por reações de decomposição (catabolismo) na célula é usada para fosforilar ADP, regenerando ATP. A energia potencial química armazenada no ATP aciona a maior parte do trabalho celular.

As enzimas aceleram as reações do metabolismo

Uma reação química espontânea acontecerá sem a necessidade de aporte externo de energia, mas pode ocorrer tão devagar que se torne imperceptível. Mesmo que a hidrólise da sacarose (açúcar de mesa) em glicose e frutose, por exemplo, seja exergônica, ocorrendo espontaneamente com a liberação de energia livre, uma solução de sacarose dissolvida em água estéril pode persistir por anos em temperatura ambiente, sem que se perceba a hidrólise.

Contudo, se adicionarmos uma pequena quantidade da enzima sacarase à solução, toda a sacarose será hidrolisada em questão de segundos, conforme mostrado abaixo:

Uma enzima é uma macromolécula que atua como catalisador, agente químico que acelera a reação sem ser consumido por ela. O investimento inicial de energia para começar a reação – a energia necessária para deformar as moléculas de reagente de modo que as ligações possam ser rompidas – é conhecida como energia livre de ativação, ou energia de ativação.

Em alguns momentos, as barreiras de certas reações devem ser superadas para que as células realizem o trabalho necessário para a vida. O calor acelera as reações permitindo que os reagentes alcancem o estado de transição com mais frequência, mas essa solução é inapropriada para os sistemas biológicos.

Em primeiro lugar, altas temperaturas desnaturam proteínas e matam as células. Depois, o calor irá acelerar todas as reações e não apenas as necessárias. Os organismos, então, utilizam uma alternativa para acelerar reações: a catálise.

Uma enzima catalisa uma reação mediante diminuição da barreira de energia de ativação, permitindo que as moléculas reagentes absorvam energia suficiente para atingir o estado de transição mesmo em temperatura moderada.

Vale lembrar que as enzimas conseguem apenas acelerar reações que ocorreriam de qualquer modo. Entretanto, essa função possibilita à célula ter um metabolismo dinâmico, levemente direcionando os produtos químicos pelas rotas metabólicas. Como são altamente específicas para os reagentes que elas catalisam, as enzimas determinam quais processos químicos irão ocorrer dentro da célula em determinado momento.

Cofatores

A maioria das enzimas necessita de moléculas auxiliares não proteicas para sua atividade catalítica. Esses adjuvantes, chamados de cofatores, podem estar fortemente ligados à enzima de modo permanente ou podem se ligar de maneira fraca e reversível com o substrato. Os cofatores de algumas enzimas são inorgânicos, como os átomos metálicos zinco, ferro e cobre na forma iônica.

Se o cofator for uma molécula orgânica, ele será mais especificamente chamado de coenzima. A maior parte das vitaminas é importante nutricionalmente porque age como coenzimas, ou como matéria-prima com a qual as coenzimas serão sintetizadas.

Regulação

A regulação da atividade enzimática ajuda o controle do metabolismo. Se todas as rotas metabólicas celulares ficassem operacionais simultaneamente haveria um caos químico. A capacidade da célula em regular suas rotas metabólicas, controlando quando e onde as várias enzimas estão ativas, é intrínseca ao processo da vida. Isso é feito ou ligando e desligando os genes que codificam enzimas específicas ou regulando a atividade das enzimas assim que elas são produzidas.

Organelas como esta mitocôndria contêm enzimas que executam funções específicas, neste caso a respiração celular.