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7.19: Introdução à Energia e Metabolismo - Biologia

7.19: Introdução à Energia e Metabolismo - Biologia



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O que você aprenderá a fazer: discutir a energia e o metabolismo dos seres vivos

Os cientistas usam o termo bioenergética para descrever o conceito de fluxo de energia (Figura 1) por meio de sistemas vivos, como as células. Algumas dessas reações químicas são espontâneas e liberam energia, enquanto outras requerem energia para prosseguir.

Assim como os seres vivos devem consumir alimentos continuamente para reabastecer seus suprimentos de energia, as células devem produzir continuamente mais energia para reabastecer a usada pelas muitas reações químicas que requerem energia e que ocorrem constantemente. Juntas, todas as reações químicas que ocorrem dentro das células, incluindo aquelas que consomem ou geram energia, são chamadas de metabolismo celular.


Biofísica 354Aula 1

Neste curso, iremos explorar a evolução do aparato de conversão de energia, os mecanismos de conversão de energia e as ferramentas físico-químicas necessárias para uma compreensão mais profunda desses mecanismos. A ênfase principal estará nas principais vias de conversão de energia, - fotossíntese e respiração, - com algumas considerações sobre as reações metabólicas que ligam esses processos à bioquímica e fisiologia principais do organismo.

A base molecular da transdução de energia

  • Os centros de reação fotoquímica da fotossíntese de bactérias e plantas verdes forneceram um playground para testar teorias de transferência de elétrons, nas quais as estruturas forneceram detalhes de distância e meio local essenciais para a compreensão dos fatores que determinam as taxas, medidas por ultrarrápido. abordagens espectroscópicas. As lições desses sistemas modelo já estão sendo amplamente aplicadas a outros processos de transferência de elétrons.
  • As estruturas do complexo de captação de luz produziram novas idéias e percepções sobre os processos de transferência de excitação e afunilamento de energia exciton.
  • As estruturas do complexo ATP sintase revelaram o menor motor movido a turbina, confirmando ideias baseadas em análises detalhadas de dados de abordagens bioquímicas e biofísicas anteriores. Esse dispositivo promete desabrochar todo um campo da nanotecnologia, em que o nanomotor está ligado a máquinas que operam em escala molecular.
  • Estruturas para os complexos respiratórios abriram novas possibilidades para a compreensão do acoplamento da transferência de elétrons ao bombeamento de prótons. O bc1 O complexo revelou um novo mecanismo para transferência de elétrons à distância - um movimento do domínio extrínseco móvel da proteína ferro-enxofre através de 25 nm - e sugeriu outras características dinâmicas. As citocromo oxidases estão nos mostrando um novo mecanismo para acoplar a transferência de elétrons ao potencial protônico local, por meio de poços profundos de prótons no núcleo catalítico.
  • As estruturas da bacteriorodopsina nos forneceram a imagem dinâmica mais detalhada de uma bomba fotomolecular, na qual prótons ativados por fotoisomerização são trocados entre as vias de condução de prótons dentro e fora da proteína.

Mitocôndrias, - seu papel na morte celular e no envelhecimento

  • A função de controle da integridade mitocondrial na apoptose, - morte celular programada. A capacidade do corpo de se livrar das células que não funcionam é crítica para o controle do câncer e para a reciclagem eficiente dos constituintes macromoleculares. As mitocôndrias, por meio da liberação de fatores que ativam a cascata de reações que levam à apoptose, são de importância central para determinar como e quando a célula reconhece que é hora de partir.
  • O papel da cadeia respiratória na geração de espécies reativas de oxigênio (ROS), - os principais agentes causais em danos ao DNA que levam ao envelhecimento celular. Dois dos principais complexos da cadeia respiratória, - Complexo I, ou NADH: ubiquinona oxidoredutase e Complexo III ou bc1 complexo, - são os principais locais da célula em que O2 é reduzido a ânion superóxido, a molécula da qual as ROS são derivadas. Como as mitocôndrias têm um mecanismo de reparo de DNA menos eficiente do que o núcleo, elas são as principais vítimas desse dano. Como consequência, suas mitocôndrias tornam-se disfuncionais à medida que você envelhece, resultando em perda de energia e, eventualmente, em morte por "sufocação celular". Seu metabolismo energético mitocondrial é essencial para a sobrevivência, mas o mecanismo embutiu essa reação suicida. Se nada mais te matar, suas mitocôndrias irão, - um clássico "Catch-22" do metabolismo celular.

Fotossíntese, ecologia e aquecimento global

Todos os itens acima são bons motivos para um renovado interesse na conversão de energia biológica. O fato importante é que esses processos são centrais para todos os processos vivos e têm estado em evolução. A invenção da fotossíntese oxigenada e o consequente desenvolvimento de uma biosfera aeróbia e a adaptação dos órgãos a este reagente potencialmente venenoso através da invenção da respiração foram cruciais na evolução da célula eucariótica, da biosfera moderna e de seus animais e plantas. habitantes. Você não pode entender a biologia se não entender a conversão de energia biológica.


Capítulo 08 - Uma Introdução ao Metabolismo

  • A totalidade das reações químicas de um organismo é chamada de metabolismo.
  • O metabolismo é uma propriedade emergente da vida que surge das interações entre as moléculas dentro do ambiente ordenado da célula.

A química da vida é organizada em vias metabólicas.

  • As vias metabólicas começam com uma molécula específica, que é então alterada em uma série de etapas definidas para formar um produto específico.
  • Uma enzima específica catalisa cada etapa da via.
  • As vias catabólicas liberam energia quebrando moléculas complexas em compostos mais simples.
    • Uma das principais vias do catabolismo é a respiração celular, na qual a glicose do açúcar é decomposta na presença de oxigênio em dióxido de carbono e água.
    • A síntese de proteínas a partir de aminoácidos é um exemplo de anabolismo.
    • Bioenergética é o estudo de como os organismos gerenciam seus recursos energéticos.

    Organismos transformam energia.

    • Energia é a capacidade de trabalhar.
      • A energia existe em várias formas e as células transformam a energia de um tipo em outro.
      • Objetos em movimento podem realizar trabalho transmitindo movimento a outras matérias.
      • Os fótons de luz podem ser capturados e sua energia aproveitada para alimentar a fotossíntese em plantas verdes.
      • Calor ou energia térmica é a energia cinética associada ao movimento aleatório de átomos ou moléculas.
      • A energia química é uma forma de energia potencial armazenada nas moléculas devido ao arranjo de seus átomos.
      • Por exemplo, quando um menino sobe as escadas para uma plataforma de mergulho, ele libera energia química armazenada em suas células da comida que comeu no almoço.
      • A energia cinética de seu movimento muscular é convertida em energia potencial conforme ele sobe mais alto.
      • Conforme ele mergulha, a energia potencial é convertida de volta em energia cinética.
      • A energia cinética é transferida para a água quando ele entra nela.
      • Parte da energia é convertida em calor devido ao atrito.

      As transformações de energia da vida estão sujeitas a duas leis da termodinâmica.

      • A termodinâmica é o estudo das transformações de energia.
      • Neste campo, o termo sistema refere-se ao assunto em estudo e os arredores incluem tudo fora do sistema.
      • Um sistema fechado, aproximado por líquido em uma garrafa térmica, é isolado de seu entorno.
      • Em um sistema aberto, a energia e a matéria podem ser transferidas entre o sistema e seus arredores.
      • Organismos são sistemas abertos.
        • Eles absorvem energia - luz ou energia química na forma de moléculas orgânicas - e liberam calor e produtos residuais metabólicos, como uréia ou CO2, para os arredores.
        • A primeira lei também é conhecida como princípio de conservação de energia.
        • As plantas não produzem energia, elas transformam a energia da luz em energia química.
        • Se a temperatura for uniforme, como em uma célula viva, o calor só pode ser usado para aquecer o organismo.
        • Quanto mais aleatória uma coleção de matéria, maior sua entropia.
        • Embora a ordem possa aumentar localmente, há uma tendência imparável de randomização do universo.
        • Muito do aumento da entropia do universo assume a forma de aumento de calor, que é a energia do movimento molecular aleatório.
        • Os automóveis convertem apenas 25% da energia da gasolina em movimento, o resto é perdido na forma de calor.
        • As células vivas inevitavelmente convertem formas organizadas de energia em calor.
        • Os processos espontâneos não precisam ocorrer rapidamente.
        • Alguns processos espontâneos são instantâneos, como uma explosão. Alguns são muito lentos, como a ferrugem de um carro velho.
        • Por exemplo, os aminoácidos são ordenados em cadeias polipeptídicas.
        • A estrutura de um corpo multicelular é organizada e complexa.
        • Por exemplo, um animal consome moléculas orgânicas como alimento e as cataboliza em água e dióxido de carbono de baixa energia.
        • Esse aumento na organização não viola a segunda lei da termodinâmica.
        • A entropia de um sistema particular, como um organismo, pode diminuir enquanto a entropia total do universo - o sistema mais seus arredores - aumenta.
        • Os organismos são ilhas de baixa entropia em um universo cada vez mais aleatório.
        • A evolução da ordem biológica é perfeitamente consistente com as leis da termodinâmica.

        Conceito 8.2 A mudança de energia livre de uma reação nos diz se a reação ocorre espontaneamente

        • Como podemos determinar quais reações ocorrem espontaneamente e quais requerem uma entrada de energia?
        • O conceito de energia livre fornece uma função útil para medir a espontaneidade de um sistema.
        • Energia livre é a porção da energia de um sistema que é capaz de realizar o trabalho quando a temperatura e a pressão são uniformes em todo o sistema, como em uma célula viva.
        • A energia livre (G) em um sistema está relacionada à entalpia total (em sistemas biológicos, equivalente à energia) (H) e a entropia (S) por esta relação:
          • G = H - TS, onde T é a temperatura em unidades Kelvin.
          • Os aumentos de temperatura amplificam o termo entropia.
          • Nem toda a energia de um sistema está disponível para funcionar porque o componente de entropia deve ser subtraído do componente de entalpia.
          • O que resta é a energia gratuita disponível para o trabalho.
          • Os sistemas com alto teor de energia livre - molas comprimidas, cargas separadas, polímeros orgânicos - são instáveis ​​e tendem a se mover para um estado mais estável, com menos energia livre.
          • Os sistemas que tendem a mudar espontaneamente são aqueles com alta entalpia, baixa entropia ou ambas.
          • ΔG = Gfinal state - Gstarting state
          • Ou ΔG = ΔH - TΔS
          • ΔG deve ser negativo para que um processo seja espontâneo.
          • Todo processo espontâneo é caracterizado por uma diminuição da energia livre do sistema.
          • Os processos que têm um ΔG positivo ou zero nunca são espontâneos.
          • Em uma reação química em equilíbrio, as taxas de reações progressivas e regressivas são iguais e não há alteração na concentração de produtos ou reagentes.
          • No equilíbrio, ΔG = 0, e o sistema não pode trabalhar.
          • Um processo é espontâneo e só pode realizar trabalho quando está se movendo em direção ao equilíbrio.
          • Movimentos para longe do equilíbrio não são espontâneos e requerem a adição de energia de uma fonte externa de energia (os arredores).
          • Para a reação geral da respiração celular: C6H12O6 + 6O2 - & gt 6CO2 + 6H2O
            • ΔG = -686 kcal / mol
            • Os produtos possuem 686 kcal a menos de energia livre que os reagentes.
            • As reações endergônicas armazenam energia nas moléculas ΔG é positivo.
            • As reações endergônicas não são espontâneas, e a magnitude de ΔG é a quantidade de energia necessária para conduzir a reação.
            • Para a conversão de dióxido de carbono e água em açúcar, ΔG = +686 kcal / mol.
            • Uma célula que atingiu o equilíbrio metabólico tem um ΔG = 0 e está morta!
            • Uma célula continua a trabalhar ao longo de sua vida.

            O conceito 8.3 ATP alimenta o trabalho celular ao acoplar reações exergônicas a reações endergônicas

            • Uma célula realiza três tipos principais de trabalho:
              1. Trabalhos mecânicos, como batimento dos cílios, contração das células musculares e movimento dos cromossomos durante a reprodução celular.
              2. Trabalho de transporte, o bombeamento de substâncias através das membranas contra a direção do movimento espontâneo.
              3. Trabalho químico, conduzindo reações endergônicas, como a síntese de polímeros a partir de monômeros.
            • As células gerenciam seus recursos de energia para fazer esse trabalho por acoplamento de energia, o uso de um processo exergônico para conduzir um endergônico.
            • Na maioria dos casos, a fonte imediata de energia para impulsionar o trabalho celular é o ATP.
            • ATP (trifosfato de adenosina) é um tipo de nucleotídeo que consiste na adenina de base nitrogenada, a ribose do açúcar e uma cadeia de três grupos fosfato.
            • As ligações entre os grupos fosfato podem ser quebradas por hidrólise.
              • A hidrólise do grupo fosfato final forma difosfato de adenosina.
                • ATP - & gt ADP + Pi
                • Esta reação libera 7,3 kcal de energia por mol de ATP sob condições padrão (1 M de cada reagente e produto, 25 ° C, pH 7).
                • No entanto, eles são instáveis ​​e sua hidrólise produz energia porque os produtos são mais estáveis.
                • Cada um dos três grupos fosfato tem uma carga negativa.
                • Essas três cargas semelhantes estão aglomeradas e sua repulsão mútua contribui para a instabilidade dessa região da molécula de ATP.
                • Esta molécula receptora agora está fosforilada.
                • Esta molécula é agora mais reativa (menos estável) do que as moléculas originais não fosforiladas.
                • Em cada caso, um grupo fosfato é transferido do ATP para outra molécula e a molécula fosforilada sofre uma mudança que realiza um trabalho.
                • A energia para fosforilar o ADP vem de reações catabólicas na célula.
                • Uma célula muscular ativa recicla todo o seu reservatório de ATP uma vez a cada minuto.
                • Mais de 10 milhões de moléculas de ATP são consumidas e regeneradas por segundo por célula.
                • ΔG = 7,3 kcal / mol.

                Conceito 8.4 Enzimas aceleram as reações metabólicas ao diminuir as barreiras de energia

                • As reações químicas espontâneas podem ocorrer tão lentamente que se tornam imperceptíveis.
                  • A hidrólise do açúcar de mesa (sacarose) em glicose e frutose é exergônica.
                    • ΔG = -7 kcal / mol
                    • Uma enzima é uma proteína catalítica.
                    • Para hidrolisar a sacarose, a ligação entre a glicose e a frutose deve ser quebrada e novas ligações devem se formar com o hidrogênio e os íons hidroxila da água.
                    • No topo, as moléculas estão em uma condição instável, o estado de transição.
                    • A energia de ativação pode ser fornecida na forma de calor que as moléculas do reagente absorvem do ambiente.
                    • As ligações dos reagentes se quebram apenas quando as moléculas absorvem energia suficiente para se tornarem instáveis ​​e, portanto, mais reativas.
                    • A absorção de energia térmica aumenta a velocidade das moléculas reagentes, de forma que elas colidem com mais frequência e força.
                    • A agitação térmica dos átomos nas moléculas aumenta a probabilidade de quebra das ligações.
                    • À medida que as moléculas se estabelecem em novos arranjos de ligação estáveis, a energia é liberada para o ambiente.
                    • Nas reações exergônicas, a energia de ativação é liberada de volta para o ambiente, e energia adicional é liberada com a formação de novas ligações.
                    • Uma vela de ignição fornece a energia para energizar uma mistura de gasolina-oxigênio e causar a combustão.
                    • Sem essa energia de ativação, os hidrocarbonetos da gasolina são estáveis ​​demais para reagir com o oxigênio.
                    • No entanto, não há energia suficiente nas temperaturas típicas da célula para que a grande maioria das moléculas orgânicas supere a elevação da energia de ativação.
                    • O calor aceleraria as reações, mas também desnaturaria as proteínas e mataria as células.
                    • O estado de transição pode então ser alcançado mesmo em temperaturas moderadas.
                    • Eles aceleram as reações que eventualmente ocorrerão.
                    • Como as enzimas são tão seletivas, elas determinam quais processos químicos ocorrerão a qualquer momento.

                    As enzimas são específicas do substrato.

                    • O reagente sobre o qual uma enzima atua é o substrato.
                    • A enzima se liga a um substrato, ou substratos, formando um complexo enzima-substrato.
                    • Enquanto a enzima e o substrato estão ligados, a ação catalítica da enzima converte o substrato no produto ou produtos.
                    • A reação catalisada por cada enzima é muito específica.
                    • O que explica esse reconhecimento molecular?
                      • A especificidade de uma enzima resulta de sua forma tridimensional.
                      • O sítio ativo de uma enzima é tipicamente uma bolsa ou sulco na superfície da proteína na qual o substrato se encaixa.
                      • O sítio ativo geralmente é formado por apenas alguns aminoácidos.

                      O sítio ativo é o centro catalítico de uma enzima.

                      • Na maioria dos casos, os substratos são mantidos no sítio ativo por interações fracas, como ligações de hidrogênio e ligações iônicas.
                        • Grupos R de alguns aminoácidos no sítio ativo catalisam a conversão de substrato em produto.
                        • O produto então sai do site ativo.
                        • A direção real depende das concentrações relativas de produtos e reagentes.
                        • As enzimas catalisam reações na direção do equilíbrio.
                        • Em reações envolvendo mais de um reagente, o sítio ativo reúne os substratos na orientação correta para que a reação prossiga.
                        • Como o sítio ativo se liga ao substrato, ele pode sobrecarregar as ligações que devem ser quebradas, tornando mais fácil para os reagentes atingirem o estado de transição.
                        • Os grupos R no sítio ativo podem criar um microambiente que conduz a uma reação específica.
                          • Um sítio ativo pode ser uma bolsa de baixo pH, facilitando a transferência de H + para o substrato como uma etapa chave para catalisar a reação.
                          • As etapas subsequentes da reação restauram os grupos R no sítio ativo ao seu estado original.
                          • Em baixas concentrações de substrato, um aumento na concentração de substrato acelera a ligação aos locais ativos disponíveis.
                          • No entanto, há um limite para a rapidez com que uma reação pode ocorrer.
                          • Em altas concentrações de substrato, os locais ativos de todas as enzimas são ativados.
                            • A enzima está saturada.
                            • A taxa da reação é determinada pela velocidade na qual o sítio ativo pode converter substrato em produto.

                            O ambiente físico e químico de uma célula afeta a atividade enzimática.

                            • A atividade de uma enzima é afetada por condições ambientais gerais, como temperatura e pH.
                            • Cada enzima funciona melhor em certas condições ideais, que favorecem a conformação mais ativa para a molécula de enzima.
                            • A temperatura tem um grande impacto na taxa de reação.
                              • À medida que a temperatura aumenta, as colisões entre substratos e locais ativos ocorrem com mais frequência, pois as moléculas se movem mais rapidamente.
                              • À medida que a temperatura aumenta ainda mais, a agitação térmica começa a interromper as ligações fracas que estabilizam a conformação ativa da proteína e a proteína desnatura.
                              • Cada enzima tem uma temperatura ótima.
                                • A maioria das enzimas humanas tem temperaturas ótimas de cerca de 35–40 ° C.
                                • As bactérias que vivem em fontes termais contêm enzimas com temperaturas ideais de 70 ° C ou mais.
                                • Isso fica entre pH 6 e 8 para a maioria das enzimas.
                                • No entanto, as enzimas digestivas do estômago são projetadas para funcionar melhor em pH 2, enquanto as do intestino têm pH ideal de 8.
                                • Os cofatores ligam-se permanente ou reversivelmente à enzima.
                                • Alguns cofatores inorgânicos incluem zinco, ferro e cobre.
                                • Muitas vitaminas são coenzimas.
                                • Se os inibidores se ligam à enzima por ligações covalentes, a inibição pode ser irreversível.
                                • Se os inibidores se ligam por ligações fracas, a inibição pode ser reversível.
                                • Essas moléculas são chamadas de inibidores competitivos.
                                • A inibição competitiva pode ser superada aumentando a concentração do substrato.
                                • A ligação pelo inibidor faz com que a enzima mude de forma, tornando o sítio ativo menos eficaz em catalisar a reação.
                                • Sarin liga-se covalentemente ao grupo R no aminoácido serina.
                                • A serina é encontrada no sítio ativo da acetilcolinesterase, uma importante enzima do sistema nervoso.

                                Conceito 8.5 A regulação da atividade enzimática ajuda a controlar o metabolismo

                                O controle metabólico freqüentemente depende da regulação alostérica.

                                • Em muitos casos, as moléculas que regulam naturalmente a atividade enzimática se comportam como inibidores reversíveis não competitivos.
                                • As moléculas reguladoras freqüentemente se ligam fracamente a um local alostérico, um receptor específico na enzima distante do local ativo.
                                  • A ligação por essas moléculas pode inibir ou estimular a atividade enzimática.
                                  • Cada subunidade tem seu próprio site ativo.
                                  • Os sítios alostéricos geralmente estão localizados onde as subunidades se juntam.
                                  • Por exemplo, o ATP se liga a várias enzimas catabólicas alostericamente, inibindo sua atividade ao diminuir sua afinidade pelo substrato.
                                  • O ADP funciona como um ativador das mesmas enzimas.
                                  • ATP e ADP também afetam enzimas-chave nas vias anabólicas.
                                  • Dessa forma, as enzimas alostéricas controlam as taxas das principais reações nas vias metabólicas.
                                  • Este mecanismo amplifica a resposta das enzimas aos substratos, preparando a enzima para aceitar substratos adicionais.
                                  • O produto atua como um inibidor de uma enzima na via.

                                  A localização de enzimas dentro de uma célula ajuda a ordenar o metabolismo.

                                  • As estruturas dentro da célula ajudam a organizar as vias metabólicas.
                                  • Uma equipe de enzimas para várias etapas de uma via metabólica pode ser montada como um complexo multienzimático.
                                  • O produto da primeira reação pode então passar rapidamente para a próxima enzima até que o produto final seja liberado.
                                  • Algumas enzimas e complexos enzimáticos têm localizações fixas dentro das células como componentes estruturais de membranas específicas.
                                    • Outros estão confinados em organelas eucarióticas fechadas por membrana.

                                    Esboço da palestra para Campbell / Reece Biology, 7ª edição, © Pearson Education, Inc. 8-1


                                    7.19: Introdução à Energia e Metabolismo - Biologia

                                    Os cientistas usam o termo bioenergética para descrever o conceito de fluxo de energia (Figura 1) por meio de sistemas vivos, como as células. Os processos celulares, como a construção e a quebra de moléculas complexas, ocorrem por meio de reações químicas graduais. Algumas dessas reações químicas são espontâneas e liberam energia, enquanto outras requerem energia para prosseguir.

                                    Figura 1. Em última análise, a maioria das formas de vida obtém sua energia do sol. As plantas usam a fotossíntese para capturar a luz solar e os herbívoros comem as plantas para obter energia. Os carnívoros comem os herbívoros e a eventual decomposição de material vegetal e animal contribui para o reservatório de nutrientes.

                                    Assim como os seres vivos devem consumir alimentos continuamente para reabastecer seus suprimentos de energia, as células devem produzir continuamente mais energia para reabastecer a usada pelas muitas reações químicas que requerem energia e que ocorrem constantemente. Juntas, todas as reações químicas que ocorrem dentro das células, incluindo aquelas que consomem ou geram energia, são chamadas de metabolismo celular.


                                    7.19: Introdução à Energia e Metabolismo - Biologia

                                    Visite a fonte da imagem em destaque desta página no site Microbes de Kenneth Todar

                                    Capítulo 1: A Origem da Vida

                                    Perguntas de revisão para o capítulo 1

                                    Introdução

                                    • Introdução à Cosmologia
                                    • Breve resumo da Teoria do Big Bang
                                    • Estimativa atual: o big bang foi há cerca de 12 bilhões de anos
                                    • Evidências recentes de que o Big Bang está se acelerando
                                    • Site da NASA A Origem e Evolução da Vida ou Aqui
                                    • Outros locais educacionais da NASA selecionados: 1 - 2 - 3 - 4

                                    Formação do Sistema Solar

                                    Vida nas superfícies planetárias

                                    • Dr. Awramik na Terra Primitiva
                                    • Notas de aula sobre os ciclos da Terra
                                    • Notas de aula sobre a infância
                                    • Atualização do Prof Cowen: Há ou existia vida em Marte?
                                    • Stimulating New Book do Cornell University Biochemist, Thomas Gold, The Deep Hot Biosphere no

                                    Reconstruindo a Origem da Vida

                                    • Entrevista com o Dr. Stanley Miller, pioneiro da exobiologia
                                    • Resumo da hipótese mais recente da sopa primordial do Dr. Miller
                                    • Dr. Stanley Awramik sobre como a vida começou
                                    • Experimento de sopa primordial de Stanley Miller e aparelho de reação de descarga de faísca
                                    • Links para as origens da vida
                                    • Pergunte a um astrobiólogo sobre as origens da vida

                                    Em direção à primeira célula viva

                                    • Artigo Carl Zimmer, The First Cell
                                    • Ótimo livro novo de John Maynard Smith & E & oumlrs Szathm & aacutery, As origens da vida.
                                      Ou seu livro mais técnico sobre este assunto, As principais transições na evolução
                                    • Um livro de J. William Schopf, Berço da vida: a descoberta dos fósseis mais antigos da Terra.


                                    Visite a fonte das imagens do respiradouro quente "Black Smoker" do mar profundo
                                    e os vermes Gutless Hot Vent, Riftia, Hosts of Chemosynthetic Symbiotic
                                    Micróbios, no site da Nova's Living at Extremes


                                    Ensaio sobre metabolismo (para estudantes universitários) | Biologia

                                    Você está procurando um ensaio sobre ‘Metabolismo’? Encontre parágrafos, ensaios longos e curtos sobre "Metabolismo", escritos especialmente para estudantes universitários.

                                    1. Ensaio de Introdução ao Metabolismo:

                                    O termo metabolismo é definido como & # 8216os processos químicos pelos quais o material nutritivo é transformado em matéria viva, ou pelos quais moléculas complexas são decompostas em substâncias mais simples durante o desempenho de funções especiais & # 8217. As várias reações que envolvem a síntese de moléculas complexas são agrupadas sob anabolismo, enquanto a quebra de moléculas complexas é conhecida como catabolismo.

                                    Tanto o processo anabólico quanto o catabólico incluem um grande número de reações químicas diferentes, mas há uma série de características comuns. A maioria dos processos metabólicos ocorre dentro das células do corpo, principalmente no citoplasma, mas também dentro de organelas intracelulares, como as mitocôndrias. As reações anabólicas e catabólicas envolvem a ação de enzimas e a utilização de energia.

                                    O metabolismo, um processo vital para todas as formas de vida, é um processo constante que começa quando um organismo é concebido e termina quando ele morre. Caso o metabolismo pare, resulta em morte. O processo do metabolismo é realmente um ato de equilíbrio envolvendo dois tipos de atividades que acontecem ao mesmo tempo, a acumulação de tecidos corporais e estoques de energia (anabolismo ou metabolismo construtivo) e a quebra de estoques de energia para gerar mais combustível para as funções corporais (catabolismo ou metabolismo destrutivo).

                                    Quase todas as reações químicas no corpo vivo requerem o gasto de energia, que é disponibilizada principalmente pelo catabolismo de & # 8216macronutrientes & # 8217 gorduras e carboidratos (particularmente glicose) e proteínas (em pequena extensão). De acordo com a lei da conservação de energia, a energia total de um sistema permanece constante, embora a energia possa se transformar em outra forma. No metabolismo do corpo, a energia liberada da oxidação dos macronutrientes é usada para uma série de reações químicas, em vez de ser liberada apenas como calor.

                                    Uma característica fundamental dos processos anabólicos e catabólicos é a utilização de energia. A fonte final de energia para todos os sistemas vivos é a energia solar. Assim, o processo meta & tímido na terra começa com os produtores, as plantas. Primeiro, uma planta verde obtém energia da luz solar. A planta usa essa energia e a molécula de clorofila (que dá às plantas sua cor verde) para construir açúcares a partir da água e do dióxido de carbono em um processo conhecido como fotossíntese.

                                    Os homens e os animais, quando comem as plantas, absorvem essa energia (na forma de açúcar), junto com outros produtos químicos vitais para a formação de células. O próximo passo do corpo é quebrar o açúcar para que a energia liberada possa ser distribuída e usada como combustível pelas células do corpo. Essas reações são facilitadas por catalisadores biológicos (enzimas) e eles quebram proteínas em aminoácidos, gorduras em ácidos graxos e carboidratos em açúcares simples (por exemplo, glicose).

                                    Durante esses processos, a energia desses compostos pode ser liberada pelo corpo para uso ou armazenada nos tecidos do corpo, especialmente no fígado, músculos e gordura corporal. Durante o anabolismo, pequenas moléculas são transformadas em moléculas maiores e mais complexas de carboidratos, proteínas e gorduras.

                                    2. Ensaio sobre o metabolismo dos carboidratos:

                                    Em animais, especialmente em humanos, a principal fonte de carboidratos na dieta é o amido de material vegetal consumido e uma pequena quantidade de glicogênio de tecido animal, bem como dissacarídeos como a sacarose de produtos contendo açúcar refinado e lactose no leite. A digestão no intestino converte todos os carboidratos em monossacarídeos, que são transportados para o fígado e convertidos em glicose. O fígado tem um papel central no armazenamento e distribuição dentro do corpo de todos os combustíveis, incluindo a glicose.

                                    O metabolismo dos carboidratos começa com a digestão no intestino delgado, onde os monossacarídeos são absorvidos pela corrente sanguínea.

                                    As concentrações de açúcar no sangue são controladas por três hormônios:.

                                    Quando a concentração de glicose no sangue aumenta, a insulina é secretada pelo pâncreas, o que estimula a transferência de glicose para as células, principalmente no fígado e nos músculos, embora outros órgãos também sejam capazes de metabolizar a glicose.

                                    A glicose no corpo sofre catabolismo em todos os tecidos periféricos, particularmente no cérebro, músculos e rins para produzir ATP. O excesso de glicose é transformado em glicogênio pelo processo de glicogênese (anabolismo) e armazenado como glicogênio no fígado e músculos ou convertido em ácidos graxos e é armazenado no tecido adiposo como triglicerídeos. Os hormônios eqinefrina e glucagon são secretados para estimular a conversão de glicogênio em glicose quando o nível de glicose no sangue está baixo. Este processo é denominado glicogenólise (catabolismo).

                                    O metabolismo da glicose começa com o processo denominado glicólise (catabolismo). Os produtos finais da glicólise são o ácido pirúvico e o ATP. Uma vez que a glicólise libera relativamente pouco ATP, outras reações continuam a converter o ácido pirúvico em acetil CoA e depois em ácido cítrico no ciclo do ácido cítrico. A maioria dos ATPs é feita de oxidações no ciclo do ácido cítrico em conexão com a cadeia de transporte de elétrons. Durante a atividade muscular extenuante, o ácido pirúvico é convertido em ácido lático em vez de acetil CoA. Durante o período de repouso, o ácido láctico é convertido novamente em ácido pirúvico. O ácido pirúvico, por sua vez, é convertido de volta em glicose pelo processo denominado gliconeogênese (anabolismo).

                                    3. Ensaio sobre glicólise (catabolismo):

                                    A glicólise (via de Embden-Meyerhof) é a via metabólica inicial do catabolismo de carboidratos. É o processo mais universal pelo qual células de todos os tipos obtêm energia dos açúcares. A glicose é oxidada por todos os tecidos para sintetizar ATP. A primeira via que inicia a oxidação completa da glicose é chamada de glicólise. Esta via cliva as seis moléculas de glicose de carbono (C6H12O6) em duas moléculas do piruvato de três carbonos (C3H3O3 & # 8211). Esta oxidação é acoplada à produção líquida de duas moléculas de ATP por glu & shycose. A glicólise converte uma molécula de glicose em duas moléculas de piruvato, junto com & # 8220 Equivalentes de redução & # 8221 na forma da coenzima NADH.

                                    A reação global de glicólise e glicólise é:

                                    Glicose + 2 NAD + + 2 ADP + 2 Peu & # 8211 & gt 2 NADH + 2 piruvato + 2 ATP + 2 H2O + 4 H +

                                    Em eucariotos, a glicólise ocorre dentro da célula. A glicose entra na célula por meio da difusão facilitada. O primeiro passo na glicólise é a fosforilação da glicose pela hexoquinase (no fígado, a hexoquinase mais importante é a glucoquinase). Esta reação consiste em 1 molécula de ATP. Embora a membrana celular seja permeável à glicose devido à presença de proteínas transportadoras de glicose, ela é impermeável ao 6-fosfato de glicose.

                                    A glicose 6-fosfato é então reorganizada em frutose 6-fosfato pela fosfo-glicose isomerase. (A frutose também pode entrar na via glicolítica neste ponto.). A fosfofrutocinase-1 então consome 1 ATP para formar a frutose 1, 6-bifosfato. O gasto de energia nesta etapa é justificado de 2 maneiras - o processo glicolítico agora é irreversível e a energia fornecida à molécula permite que o anel seja dividido pela aldolase em 2 moléculas & # 8211 dihidroxiacetona fosfato e gliceraldeído 3-fosfato. (Triosefosfato isomerase converte a molécula de di-hidroxi-acetona fosfato em uma molécula de gliceraldeído 3-fosfato.) Cada mole e tímida de gliceraldeído 3-fosfato é então oxidado por uma molécula de NAD + na presença de gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase, formando 1,3-bisfosfoglicerato.

                                    A fosfoglicerato quinase então gera uma molécula de ATP enquanto forma o 3-fosfoglicerato. Nesta etapa, a glicólise atingiu o ponto de equilíbrio - 2 moléculas de ATP foram consumidas e 2 novas moléculas foram sintetizadas. A fosfogliceromutase então forma 2-fosfoglicerato enolase, em seguida, forma fosfoenolpiruvato e outra fosforilação em nível de substrato posteriormente forma uma molécula de piruvato e uma molécula de ATP por meio da enzima piruvato quinase (Fig. 3.45).

                                    O NAD é usado como o aceitador de elétrons na reação de oxidação. Este cofator está presente apenas em quantidades limitadas e uma vez reduzido a NADH, como nesta reação, deve ser reoxidado a NAD para permitir a continuação da via.

                                    Métodos de glicólise:

                                    Esta reoxidação ocorre por um de dois métodos:

                                    (i) Glicólise anaeróbica:

                                    Na ausência de oxigênio, o piruvato é reduzido a lactato, que é ideal para utilização em músculos em exercício pesado, onde o suprimento de oxigênio é frequentemente insuficiente para atender às demandas do metabolismo aeróbio. A redução de piruvato a lactato está acoplada à oxidação de NADH a NAD.

                                    O lactato formado é transportado para outros tecidos e tratado por um dos dois mecanismos e shinismos, como convertido de volta em piruvato ou convertido de volta em glicose no fígado. O processo de conversão de lactato em glicose é chamado de gliconeogênese, usa algumas das reações e tímidas da glicólise (mas na direção reversa) e algumas reações exclusivas desta via para re-sintetizar a glicose.

                                    A maioria das enzimas responsáveis ​​pela gliconeogênese são encontradas no citoplasma, a exceção é a piruvato carboxilase que está localizada na mitocôndria. Esta via requer ATP, mas tem o papel de manter uma concentração de glicose circulante na corrente sanguínea (mesmo na ausência de suprimento dietético) e também manter e evitar um suprimento de glicose para fibras musculares de contração rápida.

                                    O ciclo Cori, em homenagem a seus descobridores, Carl Cori e Gerty Cori, refere-se à via meta & tímida na qual o lactato produzido pela glicólise anaeróbica nos músculos se move para o fígado e é convertido em glicose, que então retorna aos músculos e é convertido de volta para lactato (Fig. 3.46). Pode ser demonstrado por um cálculo complexo de rendimentos de energia que este processo de oxidar parcialmente a glicose em lactato no músculo, transportando-o para o fígado para conversão de volta à glicose e, em seguida, re-fornecendo ao músculo, na verdade tem um rendimento de energia muito maior do que os 2 ATP / glicose produzidos apenas pela glicólise.

                                    (ii) Glicólise Aeróbica:

                                    Em condição aeróbia, o piruvato é transportado dentro da mitocôndria e oxidado a acetil coen e tímida A (abreviado para & # 8220 acetil CoA ) Esta é uma reação de oxidação e usa o NAD como um aceptor de elétrons. Além disso, a acetil CoA é oxidada em última instância em CO2 pelo ciclo do ácido cítrico. Essas reações são acopladas a um processo conhecido como cadeia de transporte de elétrons, que tem o papel de aproveitar a energia da ligação química por meio de uma série de reações de oxidação / redução para a síntese de ATP e, simultaneamente, reoxidar NADH em NAD.

                                    O ciclo de Krebs, também conhecido como ciclo do ácido tri-carboxílico (TCA), foi reconhecido pela primeira vez em 1937 pelo homem que o recebeu, o bioquímico alemão Hans Adolph Krebs, vencedor do Prêmio Nobel em 1953. Em suma, o Krebs ciclo constitui a descoberta da principal fonte de energia em todos os organismos vivos. As reações do ciclo de Krebs ocorrem na matriz da mitocôndria. Algumas das etapas finais do metabolismo intermediário ocorrem ali também.

                                    Por exemplo, tanto na matriz como no citoplasma, o glutamato (o aminoácido glu e ácido tímico) perde seu grupo amino e é oxidado a alfa-cetoglutarato. Em condições aeróbicas, o produto final da glicólise é o ácido pirúvico convertido em acetil coenzima A (acetil CoA), que é o iniciador do ciclo do ácido cítrico. No metabolismo dos carboidratos, a acetil CoA é o elo entre a glicólise e o ciclo do ácido cítrico. O ciclo do ácido cítrico contém as reações finais de oxidação, acopladas à cadeia de transporte de elétrons, que produzem a maior parte do ATP do corpo.

                                    Para cada molécula de glicose que entra na glicólise, duas moléculas de piruvato são produzidas e ganharam dois NADH e dois ATPs, enquanto no ciclo de Calvin aproximadamente 54 ATPs são utilizados pela planta para sintetizar uma molécula de glicose. O ATP é gerado quebrando as ligações da glicose e capturando o máximo possível da energia armazenada naquela molécula. O ciclo CA produz muito pouco ATP diretamente, mas gera muitas moléculas de coenzimas reduzidas NAD e FAD como NADH e FADH2.

                                    O ciclo de Krebs começa com oxaloacetato e se combina com Acetil CoA para dar uma volta completa. Após a acetil CoA ser oxidada a CO2 e H2O, os elétrons impulsionam as bombas de prótons que geram ATP, que é muito necessário para a célula. Lembre-se de que as moléculas de NADH são importantes porque contêm elétrons extraídos que, em última análise, reduzem o NAD +.

                                    No entanto, quando os elétrons não têm energia suficiente para reduzir o NAD +, eles são armazenados temporariamente no FADH2 molécula. Cada molécula de NADH é responsável pela produção de três moléculas de ATP, enquanto FADH2 é responsável pela produção de duas moléculas de ATP.Nas células procarióticas, o ciclo do ácido cítrico ocorre no citoplasma nas células eucarióticas, o ciclo do ácido cítrico ocorre na matriz da mitocônia e da tímida.

                                    A reação geral para o ciclo do ácido cítrico é:

                                    2 grupos acetil + 6 NAD + + 2 FAD + 2 ADP + 2 Peu & # 8211 & gt 4 CO2 + 6 NADH + 6H + + 2 FADH2 + 2 ATP

                                    O ciclo do ácido cítrico fornece uma série de compostos intermediários que doam prótons e elétrons para a cadeia de transporte de elétrons por meio das coenzimas reduzidas NADH e FADH2. A cadeia de transporte de elétrons então gera ATPs adicionais por fos e shiforilação oxidativa.

                                    O ciclo do TCA envolve 8 etapas distintas, cada uma catalisada por um único enzima:

                                    eu. O ciclo do ácido cítrico começa quando a Coenzima A transfere seu grupo acetil de 2 carbonos para o composto de 4 carbonos, oxalo-acetato, para formar a molécula de 6 carbonos, citrato.

                                    ii. O citrato é reorganizado para formar uma forma isomérica, isocitrato (Fig. 3.47).

                                    iii. O isocitrato de 6 carbonos é oxidado e uma molécula de CO2 é removido produzindo a molécula de 5 carbonos α-cetoglutarato. Durante esta oxidação, o NAD + é reduzido a NADH + H +.

                                    4. O alfa-cetoglutarato é oxidado, o dióxido de carbono é removido e a coenzima A é adicionada para formar o composto de 4 carbonos succinil-CoA. Durante esta oxidação, NAD + é reduzido a NADH + H +

                                    v. CoA é removido do succinil-CoA para produzir succinato. A energia liberada é usada para fazer trifosfato de guanosina (GTP) a partir de difosfato de guanosina (GDP) e Peu por fosforilação em nível de substrato. O GTP pode então ser usado para fazer ATP.

                                    vi. O succinato é oxidado a fumarato. Durante esta oxidação, FAD é reduzido a FADH2.

                                    vii. Água é adicionada ao fumarato para formar malato.

                                    viii. O malato é oxidado para produzir oxaloacetato, o composto inicial do ciclo do ácido cítrico. Durante esta oxidação, NAD + é reduzido a NADH + H +

                                    Além de seus papéis na geração de ATP por catabolismo, o ciclo do ácido cítrico também fornece metabólitos precursores (anabólicos) para várias vias biossintéticas (Fig. 3.48).

                                    (b) Cadeia de transporte de elétrons:

                                    É a parte final da fase II da respiração aeróbica. Na respiração, a oxidação do substrato ocorre por desidrogenação (ou seja, remoção) de átomos de hidrogênio (2H) do substrato. A maioria desses átomos de hidrogênio são aceitos pelo NAD para formar a coenzima NADH reduzida. Na respiração aeróbia 10 NADH2 são formados (2NADH2 na glicólise + 8 NADH2 no ciclo de Krebs) de uma molécula de glicose. Além disso, no ciclo de Krebs, o hidrogênio é aceito pelo FAD para formar o FADH2 em uma etapa, um total de 2 FADH2 são formados pela respiração aeróbia de cada molécula de glicose.

                                    Cada molécula de coenzima reduzida assim formada na respiração aeróbica (glicólise e ciclo de Krebs) é finalmente oxidada pelo oxigênio molecular livre por meio de um processo denominado oxidação termi e shinal (Fig. 3.49).

                                    A cadeia respiratória (ou ETS) está presente na membrana interna da mitocôndria (ou seja, na membrana das cristas). É composto por várias enzimas e coenzimas que atuam como transportadores de elétrons. Embutidos na membrana interna estão proteínas e complexos de moléculas que estão envolvidos no processo chamado transporte de elétrons. O sistema de transporte de elétrons (ETS), como é chamado, aceita energia de portadores na matriz e a armazena em uma forma que pode ser usada para fosforilar o ADP.

                                    Dois transportadores de energia são conhecidos por doar energia ao ETS, a saber, nicotina adenina di-nucleotídeo (NAD) e flavina adenina di-nucleotídeo (FAD). O NADH liga-se ao complexo -I. Ele se liga a um grupo protético chamado mononucleotídeo de flavina (FMN) e é imediatamente reoxidado em NAD. O NAD é reciclado, atuando como um lançador de energia. O FMN recebe o hidrogênio do NADH e dois elétrons. Ele também pega um próton da matriz. Nessa forma reduzida, ele passa os elétrons para os aglomerados de ferro-enxofre que fazem parte do complexo e força dois prótons para o espaço entre as membranas. O NAD reduzido transporta energia para o complexo I (NADH-Coenzima Q Redutase) da cadeia de transporte de elétrons. FAD é uma parte ligada do complexo succinato desidrogenase (complexo II).

                                    Os elétrons não podem passar pelo complexo-l sem realizar a translocação de prótons. Os portadores de transporte de elétrons são específicos, nos quais cada portador aceita elétrons (e energia livre associada) de um tipo específico de portador anterior. Os elétrons passam do complexo I para um portador (Coenzima Q) embutido por si mesmo na membrana. Da Coenzima Q os elétrons são passados ​​para um complexo -III que está associado a outro evento de translocação de prótons.

                                    O Complexo-II, o complexo succinato desidrogenase, é um ponto de partida separado e não faz parte da via do NADH. Do succinato, a sequência é o Complexo II para a Coenzima Q para o Complexo III para o citocromo C para o Complexo IV. Portanto, existe uma via comum de transporte de elétrons além do ponto de entrada, seja o Complexo I ou o Complexo II. Os prótons não são translocados no Complexo II. Não há energia livre suficiente disponível a partir da reação da succinato desidrogenase para reduzir o NAD ou para bombear prótons em mais de dois locais. Do Complexo III, a via passa para o citocromo C e, em seguida, para um Complexo IV (complexo citocromo oxi & shydase). Mais prótons são translocados pelo Complexo IV, e é neste local que o oxigênio e o oxigênio se ligam, junto com os prótons, e usando o par de elétrons e a energia livre restante, o oxigênio é reduzido a água.

                                    O oxigênio atua como um aceptor de elétrons, abrindo caminho para que os portadores na sequência sejam reoxidados para que o transporte de elétrons possa continuar. O objetivo do transporte de elétrons e shytrons é conservar energia na forma de um gradiente quimiosmótico. O gradiente, por sua vez, pode ser explorado para a fosforilação do ADP, bem como para outros fins. Com a cessação do metabolismo aeróbio, as células são danificadas de forma imediata e irreversível.


                                    27 Energia e Metabolismo

                                    Ao final desta seção, você será capaz de fazer o seguinte:

                                    • Explique as vias metabólicas e descreva os dois tipos principais
                                    • Discuta como as reações químicas desempenham um papel na transferência de energia

                                    Os cientistas usam o termo bioenergética para discutir o conceito de fluxo de energia ((Figura)) por meio de sistemas vivos, como as células. Processos celulares, como construção e quebra de moléculas complexas, ocorrem por meio de reações químicas graduais. Algumas dessas reações químicas são espontâneas e liberam energia, enquanto outras requerem energia para prosseguir. Assim como os seres vivos devem consumir alimentos continuamente para reabastecer o que usaram, as células devem produzir continuamente mais energia para reabastecer aquela que as muitas reações químicas que requerem energia e que ocorrem constantemente usam. Todas as reações químicas que ocorrem dentro das células, incluindo aquelas que usam e liberam energia, são o metabolismo da célula.

                                    Metabolismo de carboidratos

                                    O metabolismo do açúcar (reações químicas) (um carboidrato simples) é um exemplo clássico dos muitos processos celulares que usam e produzem energia. Os seres vivos consomem açúcar como a principal fonte de energia, porque as moléculas de açúcar têm uma energia considerável armazenada em suas ligações. A equação a seguir descreve a repartição da glicose, um açúcar simples:

                                    Os carboidratos consumidos têm sua origem em organismos fotossintetizantes como as plantas ((Figura)). Durante a fotossíntese, as plantas usam a energia da luz solar para converter o gás dióxido de carbono (CO2) em moléculas de açúcar, como glicose (C6H12O6) Como esse processo envolve a síntese de uma molécula maior de armazenamento de energia, ele requer uma entrada de energia para prosseguir. A seguinte equação (observe que é o inverso da equação anterior) descreve a síntese de glicose:

                                    Durante as reações químicas da fotossíntese, a energia está na forma de uma molécula de alta energia que os cientistas chamam de ATP, ou trifosfato de adenosina. Esta é a principal moeda de energia de todas as células. Assim como o dólar é a moeda que usamos para comprar bens, as células usam as moléculas de ATP como moeda de energia para realizar trabalho imediato. O açúcar (glicose) é armazenado como amido ou glicogênio. Polímeros armazenadores de energia como esses se decompõem em glicose para fornecer moléculas de ATP.

                                    A energia solar é necessária para sintetizar uma molécula de glicose durante as reações de fotossíntese. Na fotossíntese, a energia luminosa do sol inicialmente se transforma em energia química que temporariamente se armazena nas moléculas transportadoras de energia ATP e NADPH (nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato). A fotossíntese mais tarde usa a energia armazenada em ATP e NADPH para construir uma molécula de glicose a partir de seis moléculas de CO2. Esse processo é análogo a tomar o café da manhã para adquirir energia para o corpo, que você pode usar no final do dia. Em condições ideais, a energia de 18 moléculas de ATP é necessária para sintetizar uma molécula de glicose durante as reações de fotossíntese. As moléculas de glicose também podem se combinar e se converter em outros tipos de açúcar. Quando um organismo consome açúcares, as moléculas de glicose eventualmente chegam às células vivas de cada organismo. Dentro da célula, cada molécula de açúcar se decompõe por meio de uma série complexa de reações químicas. O objetivo dessas reações é colher a energia armazenada dentro das moléculas de açúcar. A energia coletada cria moléculas de ATP de alta energia, que realizam trabalho, acionando muitas reações químicas na célula. A quantidade de energia necessária para fazer uma molécula de glicose a partir de seis moléculas de dióxido de carbono é de 18 moléculas de ATP e 12 moléculas de NADPH (cada uma das quais é energeticamente equivalente a três moléculas de ATP), ou um total de 54 equivalentes de molécula necessários para sintetizar uma molécula de glicose . Este processo é uma forma fundamental e eficiente para as células gerarem a energia molecular de que necessitam.

                                    Vias metabólicas

                                    Os processos de fabricação e decomposição de moléculas de açúcar ilustram dois tipos de vias metabólicas. Uma via metabólica é uma série de reações bioquímicas interconectadas que convertem uma molécula ou moléculas de substrato, passo a passo, por meio de uma série de intermediários metabólicos, resultando em um ou mais produtos finais. No caso do metabolismo do açúcar, a primeira via metabólica sintetizou o açúcar a partir de moléculas menores, e a outra via quebrou o açúcar em moléculas menores. Os cientistas chamam esses dois processos opostos - o primeiro requer energia e o segundo produz energia - vias anabólicas (construção) e catabólicas (decomposição), respectivamente. Consequentemente, a construção (anabolismo) e a degradação (catabolismo) constituem o metabolismo.

                                    Evolução das vias metabólicas A complexidade do metabolismo envolve mais do que compreender apenas as vias metabólicas. A complexidade metabólica varia de organismo para organismo. A fotossíntese é a principal via pela qual os organismos fotossintéticos como as plantas (as algas planctônicas realizam a maior parte da síntese global) coletam a energia do sol e a convertem em carboidratos. O subproduto da fotossíntese é o oxigênio, de que algumas células precisam para realizar a respiração celular. Durante a respiração celular, o oxigênio auxilia na quebra catabólica dos compostos de carbono, como os carboidratos. Entre os produtos estão CO2 e ATP. Além disso, alguns eucariotos realizam processos catabólicos sem oxigênio (fermentação), ou seja, realizam ou usam metabolismo anaeróbico.

                                    Os organismos provavelmente desenvolveram o metabolismo anaeróbico para sobreviver (os organismos vivos surgiram há cerca de 3,8 bilhões de anos, quando faltava oxigênio à atmosfera). Apesar das diferenças entre os organismos e da complexidade do metabolismo, os pesquisadores descobriram que todos os ramos da vida compartilham algumas das mesmas vias metabólicas, sugerindo que todos os organismos evoluíram do mesmo ancestral comum antigo ((Figura)). As evidências indicam que, ao longo do tempo, as vias divergiram, adicionando enzimas especializadas para permitir que os organismos se adaptassem melhor ao seu ambiente, aumentando assim sua chance de sobreviver. No entanto, o princípio subjacente continua sendo que todos os organismos devem coletar energia de seu ambiente e convertê-la em ATP para realizar as funções celulares.

                                    Vias anabólicas e catabólicas

                                    As vias anabólicas requerem uma entrada de energia para sintetizar moléculas complexas a partir de outras mais simples. Sintetizando açúcar de CO2 é um exemplo. Outros exemplos são a síntese de proteínas grandes a partir de blocos de construção de aminoácidos e a síntese de novas fitas de DNA a partir de blocos de construção de ácidos nucléicos. Esses processos biossintéticos são críticos para a vida da célula, ocorrem constantemente e exigem energia que o ATP e outras moléculas de alta energia como NADH (nicotinamida adenina dinucleotídeo) e NADPH fornecem ((Figura)).

                                    O ATP é uma molécula importante para as células terem suprimento suficiente o tempo todo. A quebra dos açúcares ilustra como uma única molécula de glicose pode armazenar energia suficiente para produzir uma grande quantidade de ATP, 36 a 38 moléculas. Esta é uma via catabólica. As vias catabólicas envolvem a degradação (ou quebra) de moléculas complexas em outras mais simples. A energia molecular armazenada em ligações moleculares complexas é liberada nas vias catabólicas e colhida de forma a produzir ATP. Outras moléculas armazenadoras de energia, como as gorduras, também se decompõem por meio de reações catabólicas semelhantes para liberar energia e produzir ATP ((Figura)).

                                    É importante saber que as reações químicas da via metabólica não ocorrem espontaneamente. Uma proteína chamada enzima facilita ou catalisa cada etapa da reação. As enzimas são importantes para catalisar todos os tipos de reações biológicas - tanto aquelas que requerem energia quanto aquelas que liberam energia.

                                    Resumo da Seção

                                    As células desempenham as funções vitais por meio de várias reações químicas. O metabolismo de uma célula se refere às reações químicas que ocorrem dentro dela. Existem reações metabólicas que envolvem a quebra de substâncias químicas complexas em outras mais simples, como a quebra de macromoléculas grandes. Os cientistas se referem a esse processo como catabolismo, e associamos essas reações a uma liberação de energia. Na outra extremidade do espectro, anabolismo se refere a processos metabólicos que constroem moléculas complexas a partir de outras mais simples, como a síntese de macromoléculas. Os processos anabólicos requerem energia. A síntese de glicose e a quebra de glicose são exemplos de vias anabólicas e catabólicas, respectivamente.

                                    Múltipla escolha

                                    A energia é armazenada a longo prazo nas ligações de _____ e usada a curto prazo para realizar o trabalho de uma (n) molécula de _____.

                                    1. ATP: glicose
                                    2. uma molécula anabólica: molécula catabólica
                                    3. glicose: ATP
                                    4. uma molécula catabólica: molécula anabólica

                                    A replicação do DNA envolve o desenrolamento de duas fitas do DNA original, copiando cada fita para sintetizar as fitas complementares e liberando o DNA pai e filha. Qual das opções a seguir descreve com precisão esse processo?

                                    1. Este é um processo anabólico.
                                    2. Este é um processo catabólico.
                                    3. Isso é anabólico e catabólico.
                                    4. Este é um processo metabólico, mas não é anabólico nem catabólico.

                                    Questões de pensamento crítico

                                    O exercício físico envolve processos anabólicos e / ou catabólicos? Dê evidências para sua resposta.

                                    O exercício físico envolve processos anabólicos e catabólicos. As células do corpo quebram os açúcares para fornecer ATP para fazer o trabalho necessário para os exercícios, como as contrações musculares. Isso é catabolismo. As células musculares também devem reparar o tecido muscular danificado pelo exercício, construindo novos músculos. Isso é anabolismo.

                                    Cite duas funções celulares diferentes que requerem energia em paralelo com as funções humanas que requerem energia.

                                    A energia é necessária para o movimento celular, por meio do batimento dos cílios ou flagelos, e também do movimento humano, produzido pela contração muscular. As células também precisam de energia para realizar a digestão, pois os humanos precisam de energia para digerir os alimentos.

                                    Glossário


                                    Capítulo 8 & # 8211 Esboço da aula de introdução ao metabolismo

                                    · A totalidade das reações químicas de um organismo é chamada de metabolismo.

                                    · O metabolismo é uma propriedade emergente da vida que surge das interações entre as moléculas dentro do ambiente ordenado da célula.

                                    · As vias metabólicas começam com uma molécula específica, que é então alterada em uma série de etapas definidas para formar um produto específico.

                                    · Uma enzima específica catalisa cada etapa da via.

                                    · As vias catabólicas liberam energia quebrando moléculas complexas em compostos mais simples.

                                    ° Uma das principais vias de catabolismo é a respiração celular, na qual a glicose do açúcar é decomposta na presença de oxigênio em dióxido de carbono e água.

                                    · Vias anabólicas consuma energia para construir moléculas complicadas a partir de compostos mais simples. Eles também são chamados de vias biossintéticas.

                                    ° A síntese de proteínas a partir de aminoácidos é um exemplo de anabolismo.

                                    · A energia liberada pelas vias catabólicas pode ser armazenada e usada para conduzir as vias anabólicas.

                                    · A energia é fundamental para todos os processos metabólicos e, portanto, uma compreensão da energia é a chave para entender como funciona a célula viva.

                                    ° Bioenergética é o estudo de como os organismos gerenciam seus recursos energéticos.

                                    2. Organismos transformam energia.

                                    · Energia é a capacidade de fazer trabalho.

                                    ° A energia existe em várias formas e as células transformam a energia de um tipo para outro.

                                    · Energia cinética é a energia associada ao movimento relativo dos objetos.

                                    ° Objetos em movimento podem realizar trabalho transmitindo movimento a outras matérias.

                                    ° Fótons de luz podem ser capturados e sua energia aproveitada para alimentar a fotossíntese em plantas verdes.

                                    ° Aquecer ou energia térmica é a energia cinética associada ao movimento aleatório de átomos ou moléculas.

                                    · Energia potencial é a energia que a matéria possui por causa de sua localização ou estrutura.

                                    ° Energia química é uma forma de energia potencial armazenada em moléculas devido ao arranjo de seus átomos.

                                    · A energia pode ser convertida de uma forma para outra.

                                    ° Por exemplo, quando um menino sobe as escadas para uma plataforma de mergulho, ele libera energia química armazenada em suas células da comida que comeu no almoço.

                                    ° A energia cinética de seu movimento muscular é convertida em energia potencial conforme ele sobe mais alto.

                                    ° À medida que ele mergulha, a energia potencial é convertida de volta em energia cinética.

                                    ° A energia cinética é transferida para a água quando ele entra nela.

                                    ° Alguma energia é convertida em calor devido ao atrito.

                                    3. As transformações de energia da vida estão sujeitas a duas leis da termodinâmica.

                                    · Termodinâmica é o estudo das transformações de energia.

                                    · Neste campo, o termo sistema refere-se ao assunto em estudo e os arredores incluem tudo fora do sistema.

                                    · Um sistema fechado, aproximado por líquido em uma garrafa térmica, é isolado de seu entorno.

                                    · Em um sistema aberto, energia e matéria podem ser transferidas entre o sistema e seus arredores.

                                    · Organismos são sistemas abertos.

                                    ° Eles absorvem energia - luz ou energia química na forma de moléculas orgânicas - e liberam calor e resíduos metabólicos, como uréia ou CO2, para os arredores.

                                    · O primeira lei da termodinâmica afirma que a energia pode ser transferida e transformada, mas não pode ser criada ou destruída.

                                    ° A primeira lei também é conhecida como princípio de conservação de energia.

                                    ° As plantas não produzem energia, elas transformam a energia da luz em energia química.

                                    · Durante cada transferência ou transformação de energia, parte da energia é convertida em calor, que é a energia associada ao movimento aleatório de átomos e moléculas.

                                    · Um sistema pode usar calor para fazer o trabalho apenas quando há uma diferença de temperatura que resulta no fluxo de calor de um local mais quente para um mais frio.

                                    ° Se a temperatura for uniforme, como em uma célula viva, o calor só pode ser usado para aquecer o organismo.

                                    · As transferências e transformações de energia tornam o universo mais desordenado devido a essa perda de energia utilizável.

                                    · Entropia é uma quantidade usada como medida de desordem ou aleatoriedade.

                                    ° Quanto mais aleatória uma coleção de matéria, maior sua entropia.

                                    · O segunda lei da termodinâmica afirma que toda transferência ou transformação de energia aumenta a entropia do universo.

                                    ° Embora a ordem possa aumentar localmente, há uma tendência imparável de randomização do universo.

                                    ° Muito do aumento da entropia do universo assume a forma de aumento de calor, que é a energia do movimento molecular aleatório.

                                    · Na maioria das transformações de energia, as formas ordenadas de energia são convertidas pelo menos parcialmente em calor.

                                    ° Os automóveis convertem apenas 25% da energia da gasolina em movimento, o resto é perdido na forma de calor.

                                    ° Células vivas inevitavelmente convertem formas organizadas de energia em calor.

                                    · Para que um processo ocorra por conta própria, sem ajuda externa na forma de entrada de energia, ele deve aumentar a entropia do universo.

                                    · A palavra espontâneo descreve um processo que pode ocorrer sem uma entrada de energia.

                                    ° Processos espontâneos não precisam ocorrer rapidamente.

                                    ° Alguns processos espontâneos são instantâneos, como uma explosão. Alguns são muito lentos, como a ferrugem de um carro velho.

                                    · Outra maneira de estabelecer a segunda lei da termodinâmica é para um processo ocorrer espontaneamente, ele deve aumentar a entropia do universo.

                                    · Os sistemas vivos criam estruturas ordenadas a partir de materiais iniciais menos ordenados.

                                    ° Por exemplo, os aminoácidos são ordenados em cadeias polipeptídicas.

                                    ° A estrutura de um corpo multicelular é organizada e complexa.

                                    · No entanto, um organismo também adquire formas organizadas de matéria e energia de seus arredores e as substitui por formas menos ordenadas.

                                    ° Por exemplo, um animal consome moléculas orgânicas como alimento e as cataboliza em dióxido de carbono de baixa energia e água.

                                    · Ao longo do tempo evolutivo, organismos complexos evoluíram de outros mais simples.

                                    ° Este aumento na organização não viola a segunda lei da termodinâmica.

                                    ° A entropia de um sistema particular, como um organismo, pode diminuir enquanto a entropia total do universo - o sistema mais seus arredores - aumenta.

                                    ° Os organismos são ilhas de baixa entropia em um universo cada vez mais aleatório.

                                    ° A evolução da ordem biológica é perfeitamente consistente com as leis da termodinâmica.

                                    4. A mudança de energia livre de uma reação nos diz se ela é espontânea.

                                    · Como podemos determinar quais reações ocorrem espontaneamente e quais requerem uma entrada de energia?

                                    · O conceito de energia livre fornece uma função útil para medir a espontaneidade de um sistema.

                                    · Energia livre é a porção da energia de um sistema que é capaz de realizar o trabalho quando a temperatura e a pressão são uniformes em todo o sistema, como em uma célula viva.

                                    · A energia livre (G) em um sistema está relacionada com a entalpia total (em sistemas biológicos, equivalente à energia) (H) e a entropia (S) por esta relação:

                                    ° G = H - TS, onde T é a temperatura em unidades Kelvin.

                                    ° Aumentos na temperatura amplificam o termo entropia.

                                    ° Nem toda a energia em um sistema está disponível para trabalhar porque o componente de entropia deve ser subtraído do componente de entalpia.

                                    ° Resta a energia livre disponível para o trabalho.

                                    · A energia livre pode ser considerada uma medida da estabilidade de um sistema.

                                    ° Sistemas com alto teor de energia livre - molas comprimidas, cargas separadas, polímeros orgânicos - são instáveis ​​e tendem a se mover para um estado mais estável, com menos energia livre.

                                    ° Sistemas que tendem a mudar espontaneamente são aqueles que têm alta entalpia, baixa entropia ou ambas.

                                    · Em qualquer processo espontâneo, a energia livre de um sistema diminui.

                                    · Podemos representar essa mudança na energia livre desde o início de um processo até o seu término:

                                    ° DG = estado final - estado Gstarting

                                    · Para que um processo seja espontâneo, o sistema deve desistir da entalpia (diminuição de H), desistir da ordem (aumento de S) ou ambos.

                                    ° GD deve ser negativo para que um processo seja espontâneo.

                                    § Todo processo espontâneo é caracterizado por uma diminuição da energia livre do sistema.

                                    § Processos com GD positivo ou zero nunca são espontâneos.

                                    ° Quanto maior a diminuição da energia livre, mais trabalho um processo espontâneo pode realizar.

                                    · Um sistema em equilíbrio está em estabilidade máxima.

                                    ° Em uma reação química em equilíbrio, as taxas das reações para frente e para trás são iguais e não há alteração na concentração de produtos ou reagentes.

                                    ° No equilíbrio DG = 0, e o sistema não pode trabalhar.

                                    ° Um processo é espontâneo e pode realizar trabalho apenas quando está se movendo em direção ao equilíbrio.

                                    ° Movimentos fora do equilíbrio são não espontâneos e requerem a adição de energia de uma fonte externa de energia (os arredores).

                                    · As reações químicas podem ser classificadas como exergônicas ou endergônicas com base na energia livre.

                                    · Um reação exergônica prossegue com uma liberação líquida de energia livre GD é negativa.

                                    · A magnitude da DG para uma reação exergônica é a quantidade máxima de trabalho que a reação pode realizar.

                                    · Quanto maior for a diminuição da energia livre, maior será a quantidade de trabalho que pode ser realizada.

                                    ° Para a reação geral da respiração celular: C6H12O6 + 6O2 - & gt 6CO2 + 6H2O

                                    ° Para cada mol (180 g) de glicose decomposta pela respiração, 686 kcal de energia são disponibilizados para trabalhar na célula.

                                    § Os produtos têm 686 kcal a menos de energia livre que os reagentes.

                                    · Um reação endergônica é aquele que absorve energia livre de seus arredores.

                                    ° As reações endergônicas armazenam energia nas moléculas. DG é positivo.

                                    ° As reações endergônicas não são espontâneas, e a magnitude da DG é a quantidade de energia necessária para conduzir a reação.

                                    · Se a respiração celular libera 686 kcal, então a fotossíntese, a reação reversa, deve exigir um investimento equivalente de energia.

                                    ° Para a conversão de dióxido de carbono e água em açúcar, DG = +686 kcal / mol.

                                    · A fotossíntese é fortemente endergônica, alimentada pela absorção de energia luminosa.

                                    · As reações em um sistema fechado eventualmente atingem o equilíbrio e não podem funcionar.

                                    ° Uma célula que atingiu o equilíbrio metabólico tem um DG = 0 e está morta!

                                    · O desequilíbrio metabólico é uma das características definidoras da vida.

                                    · As células mantêm o desequilíbrio porque são sistemas abertos. O fluxo constante de materiais para dentro e para fora da célula impede que as vias metabólicas atinjam o equilíbrio.

                                    ° Uma célula continua a trabalhar durante toda a sua vida.

                                    · Um processo catabólico em uma célula libera energia livre em uma série de reações, não em uma única etapa.

                                    · Algumas reações reversíveis da respiração são constantemente “puxadas” em uma direção, pois o produto de uma reação não se acumula, mas se torna o reagente na próxima etapa.

                                    · A luz solar fornece uma fonte diária de energia gratuita para os organismos fotossintéticos.

                                    · Organismos não fotossintéticos dependem de uma transferência de energia livre de organismos fotossintéticos na forma de moléculas orgânicas.

                                    5. O ATP potencializa o trabalho celular ao acoplar reações exergônicas a reações endergônicas.

                                    · Uma célula realiza três tipos principais de trabalho:

                                    1. Trabalho mecânico, como batimento dos cílios, contração das células musculares e movimento dos cromossomos durante a reprodução celular.

                                    2. Trabalho de transporte, o bombeamento de substâncias através das membranas contra a direção do movimento espontâneo.

                                    3. Trabalho químico, conduzindo reações endergônicas, como a síntese de polímeros a partir de monômeros.

                                    · As células gerenciam seus recursos de energia para fazer este trabalho por acoplamento de energia, o uso de um processo exergônico para conduzir um endergônico.

                                    · Na maioria dos casos, a fonte imediata de energia para impulsionar o trabalho celular é o ATP.

                                    · ATP (trifosfato de adenosina) é um tipo de nucleotídeo que consiste na base nitrogenada adenina, na ribose do açúcar e em uma cadeia de três grupos fosfato.

                                    · As ligações entre os grupos fosfato podem ser quebradas por hidrólise.

                                    ° A hidrólise do grupo fosfato final forma difosfato de adenosina.

                                    § Esta reação libera 7,3 kcal de energia por mol de ATP sob condições padrão (1 M de cada reagente e produto, 25 ° C, pH 7).

                                    ° Na célula, a DG para hidrólise de ATP é de cerca de -13 kcal / mol.

                                    · Embora as ligações de fosfato do ATP às vezes sejam chamadas de ligações de fosfato de alta energia, elas são, na verdade, ligações covalentes bastante fracas.

                                    ° No entanto, eles são instáveis ​​e sua hidrólise produz energia porque os produtos são mais estáveis.

                                    · A liberação de energia durante a hidrólise do ATP vem da mudança química para um estado de menor energia livre, não das próprias ligações de fosfato.

                                    · Por que a hidrólise do ATP produz tanta energia?

                                    ° Cada um dos três grupos fosfato tem uma carga negativa.

                                    ° Essas três cargas semelhantes estão aglomeradas, e sua repulsão mútua contribui para a instabilidade dessa região da molécula de ATP.

                                    · Na célula, a energia da hidrólise do ATP é acoplada diretamente aos processos endergônicos pela transferência do grupo fosfato para outra molécula.

                                    ° Esta molécula receptora é agora fosforilado.

                                    ° Esta molécula é agora mais reativa (menos estável) do que as moléculas originais não fosforiladas.

                                    · O trabalho mecânico, de transporte e químico na célula quase sempre é alimentado pela hidrólise do ATP.

                                    ° Em cada caso, um grupo fosfato é transferido do ATP para outra molécula e a molécula fosforilada sofre uma alteração que realiza um trabalho.

                                    · ATP é um recurso renovável que pode ser regenerado pela adição de um grupo fosfato ao ADP.

                                    ° A energia para fosforilar o ADP vem de reações catabólicas na célula.

                                    ° Uma célula muscular ativa recicla todo o seu reservatório de ATP uma vez a cada minuto.

                                    ° Mais de 10 milhões de moléculas de ATP são consumidas e regeneradas por segundo por célula.

                                    · A regeneração do ATP é um processo endergônico, que requer um investimento de energia.

                                    · As vias catabólicas (exergônicas), especialmente a respiração celular, fornecem a energia para a regeneração exergônica do ATP.

                                    · A energia potencial química temporariamente armazenada no ATP conduz a maior parte do trabalho celular.

                                    B. Enzimas são proteínas catalíticas

                                    1. As enzimas aceleram as reações metabólicas ao diminuir as barreiras energéticas.

                                    · As reações químicas espontâneas podem ocorrer tão lentamente que se tornam imperceptíveis.

                                    ° A hidrólise do açúcar de mesa (sacarose) em glicose e frutose é exergônica.

                                    ° Apesar disso, o açúcar permanece na tigela sem hidrólise perceptível.

                                    ° Se adicionarmos uma pequena quantidade do catalisador enzimático sacarase a uma solução de açúcar, toda a sacarose será hidrolisada em segundos.

                                    · UMA catalisador é um agente químico que acelera a taxa de uma reação sem ser consumido pela reação.

                                    ° An enzima é uma proteína catalítica.

                                    · As enzimas regulam as vias metabólicas.

                                    · Cada reação química envolve a quebra e a formação de ligações.

                                    ° Para hidrolisar a sacarose, a ligação entre a glicose e a frutose deve ser quebrada e novas ligações devem se formar com o hidrogênio e os íons hidroxila da água.

                                    · Para atingir um estado em que as ligações podem se quebrar e se reformar, as moléculas reagentes devem absorver energia de seus arredores. Quando as novas ligações das moléculas do produto se formam, a energia é liberada na forma de calor, à medida que as moléculas assumem formas estáveis ​​com menos energia.

                                    · O investimento inicial de energia para iniciar uma reação é o energia livre de ativação ou energia de ativação (EA).

                                    · Energia de ativação é a quantidade de energia necessária para empurrar os reagentes sobre uma barreira de energia para que a reação possa prosseguir.

                                    ° No topo, as moléculas estão em uma condição instável, o estado de transição.

                                    ° A energia de ativação pode ser fornecida na forma de calor que as moléculas do reagente absorvem do ambiente.

                                    ° As ligações dos reagentes se rompem apenas quando as moléculas absorvem energia suficiente para se tornarem instáveis ​​e, portanto, mais reativas.

                                    ° A absorção de energia térmica aumenta a velocidade das moléculas do reagente, de forma que elas colidem com mais frequência e força.

                                    ° A agitação térmica dos átomos nas moléculas aumenta a probabilidade de quebra das ligações.

                                    ° À medida que as moléculas se estabelecem em novos arranjos de ligação estáveis, a energia é liberada para o ambiente.

                                    ° Em reações exergônicas, a energia de ativação é liberada de volta para o ambiente, e energia adicional é liberada com a formação de novas ligações.

                                    · Para alguns processos, a EA não é alta e a energia térmica fornecida pela temperatura ambiente é suficiente para que muitos reagentes atinjam o estado de transição.

                                    · Em muitos casos, EA é alto o suficiente para que o estado de transição raramente seja alcançado e que a reação dificilmente prossiga. Nestes casos, a reação só ocorrerá a uma taxa perceptível se os reagentes forem aquecidos.

                                    ° Uma vela de ignição fornece a energia para energizar uma mistura de gasolina-oxigênio e causar a combustão.

                                    ° Sem essa energia de ativação, os hidrocarbonetos da gasolina são estáveis ​​demais para reagir com o oxigênio.

                                    · Proteínas, DNA e outras moléculas orgânicas complexas são ricas em energia livre. Sua hidrólise é espontânea, com liberação de grandes quantidades de energia.

                                    ° No entanto, não há energia suficiente nas temperaturas típicas da célula para que a grande maioria das moléculas orgânicas supere a elevação da energia de ativação.

                                    · Como as barreiras para reações selecionadas são superadas para permitir que as células realizem os processos da vida?

                                    ° O calor aceleraria as reações, mas também desnaturaria as proteínas e mataria as células.

                                    · As enzimas aceleram as reações diminuindo o EA.

                                    ° O estado de transição pode então ser alcançado mesmo em temperaturas moderadas.

                                    ° Eles aceleram as reações que podem ocorrer eventualmente.

                                    ° Como as enzimas são muito seletivas, elas determinam quais processos químicos ocorrerão a qualquer momento.

                                    2. As enzimas são específicas do substrato.

                                    · O reagente sobre o qual uma enzima atua é o substrato.

                                    · A enzima se liga a um substrato, ou substratos, formando um complexo enzima-substrato.

                                    · Enquanto a enzima e o substrato estão ligados, a ação catalítica da enzima converte o substrato no produto ou produtos.

                                    · A reação catalisada por cada enzima é muito específica.

                                    · O que é responsável por esse reconhecimento molecular?

                                    ° A especificidade de uma enzima resulta de sua forma tridimensional.

                                    · Apenas uma parte da enzima se liga ao substrato.

                                    ° o Site ativo de uma enzima é tipicamente uma bolsa ou sulco na superfície da proteína na qual o substrato se encaixa.

                                    ° O sítio ativo geralmente é formado por apenas alguns aminoácidos.

                                    · A especificidade de uma enzima se deve ao ajuste entre o sítio ativo e o substrato.

                                    · À medida que o substrato entra no sítio ativo, as interações entre o substrato e os aminoácidos da proteína fazem com que a enzima mude ligeiramente de forma, levando a um ajuste induzido que coloca grupos químicos em posição de catalisar a reação.

                                    3. O sítio ativo é o centro catalítico de uma enzima.

                                    · Na maioria dos casos, os substratos são mantidos no sítio ativo por interações fracas, como ligações de hidrogênio e ligações iônicas.

                                    Grupos ° R de alguns aminoácidos no sítio ativo catalisam a conversão de substrato em produto.

                                    ° O produto sai do local ativo.

                                    · Uma única molécula de enzima pode catalisar milhares de reações por segundo.

                                    · As enzimas não são afetadas pela reação e são reutilizáveis.

                                    · A maioria das enzimas metabólicas pode catalisar uma reação nas direções direta e reversa.

                                    ° A direção real depende das concentrações relativas de produtos e reagentes.

                                    ° As enzimas catalisam reações na direção do equilíbrio.

                                    · As enzimas usam uma variedade de mecanismos para reduzir a energia de ativação e acelerar uma reação.

                                    ° Em reações que envolvem mais de um reagente, o sítio ativo reúne os substratos na orientação correta para que a reação prossiga.

                                    ° Como o sítio ativo se liga ao substrato, ele pode sobrecarregar as ligações que devem ser rompidas, tornando mais fácil para os reagentes atingirem o estado de transição.

                                    Os grupos ° R no local ativo podem criar um microambiente que conduz a uma reação específica.

                                    § Um sítio ativo pode ser uma bolsa de baixo pH, facilitando a transferência de H + para o substrato como uma etapa chave na catalisação da reação.

                                    ° As enzimas podem ligar-se covalentemente aos substratos.

                                    § As etapas subsequentes da reação restauram os grupos R no local ativo ao seu estado original.

                                    · A taxa com que um número específico de enzimas converte substratos em produtos depende em parte das concentrações de substrato.

                                    ° Em baixas concentrações de substrato, um aumento na concentração de substrato acelera a ligação aos locais ativos disponíveis.

                                    ° No entanto, há um limite para a rapidez com que uma reação pode ocorrer.

                                    ° Em altas concentrações de substrato, os locais ativos de todas as enzimas são ativados.

                                    § A taxa da reação é determinada pela velocidade na qual o sítio ativo pode converter substrato em produto.

                                    · A única maneira de aumentar a produtividade neste ponto é adicionar mais moléculas de enzima.

                                    4. O ambiente físico e químico de uma célula afeta a atividade enzimática.

                                    · A atividade de uma enzima é afetada por condições ambientais gerais, como temperatura e pH.

                                    · Cada enzima funciona melhor em certas condições ideais, que favorecem a conformação mais ativa para a molécula de enzima.

                                    · A temperatura tem um grande impacto na taxa de reação.

                                    ° À medida que a temperatura aumenta, as colisões entre os substratos e os locais ativos ocorrem com mais frequência, à medida que as moléculas se movem mais rapidamente.

                                    ° À medida que a temperatura aumenta ainda mais, a agitação térmica começa a interromper as ligações fracas que estabilizam a conformação ativa da proteína e a proteína desnatura.

                                    ° Cada enzima tem uma temperatura ótima.

                                    § A maioria das enzimas humanas tem temperaturas ótimas de cerca de 35–40 ° C.

                                    § As bactérias que vivem em fontes termais contêm enzimas com temperaturas ideais de 70 ° C ou mais.

                                    · Cada enzima também tem um pH ideal.

                                    · A manutenção da conformação ativa da enzima requer um pH particular.

                                    ° Cai entre pH 6 e 8 para a maioria das enzimas.

                                    ° No entanto, as enzimas digestivas do estômago são projetadas para funcionar melhor em pH 2, enquanto as do intestino têm pH ideal de 8.

                                    · Muitas enzimas requerem ajudantes não proteicos, chamados cofatores, para atividade catalítica.

                                    ° Cofatores ligam-se permanente ou reversivelmente à enzima.

                                    ° Alguns cofatores inorgânicos incluem zinco, ferro e cobre.

                                    · Os cofatores orgânicos são chamados coenzimas.

                                    ° Muitas vitaminas são coenzimas.

                                    · A ligação por inibidores impede que as enzimas catalisem as reações.

                                    ° Se os inibidores se ligam à enzima por ligações covalentes, a inibição pode ser irreversível.

                                    ° Se os inibidores se ligam por ligações fracas, a inibição pode ser reversível.

                                    · Alguns inibidores reversíveis se assemelham ao substrato e competem pela ligação ao sítio ativo.

                                    ° Estas moléculas são chamadas inibidores competitivos.

                                    ° A inibição competitiva pode ser superada aumentando a concentração do substrato.

                                    · Inibidores não competitivos impedir reações enzimáticas ligando-se a outra parte da molécula.

                                    ° A ligação pelo inibidor faz com que a enzima mude de forma, tornando o sítio ativo menos eficaz em catalisar a reação.

                                    · Toxinas e venenos costumam ser inibidores irreversíveis de enzimas.

                                    · Sarin é o gás nervoso liberado por terroristas no metrô de Tóquio em 1995.

                                    ° Sarin liga-se covalentemente ao grupo R no aminoácido serina.

                                    ° A serina é encontrada no sítio ativo da acetilcolinesterase, uma importante enzima do sistema nervoso.

                                    C. O controle do metabolismo

                                    1. O controle metabólico freqüentemente depende da regulação alostérica.

                                    · Em muitos casos, as moléculas que regulam naturalmente a atividade enzimática se comportam como inibidores reversíveis não competitivos.

                                    · Moléculas regulatórias muitas vezes se ligam fracamente a um site alostérico, um receptor específico na enzima longe do sítio ativo.

                                    ° A ligação por essas moléculas pode inibir ou estimular a atividade enzimática.

                                    · A maioria das enzimas reguladas alostericamente são constituídas por duas ou mais cadeias polipeptídicas.

                                    ° Cada subunidade tem seu próprio sítio ativo.

                                    ° Os sítios alostéricos geralmente estão localizados onde as subunidades se juntam.

                                    · A ligação de um ativador estabiliza a conformação que possui sítios ativos funcionais, enquanto a ligação de um inibidor estabiliza a forma inativa da enzima.

                                    · À medida que as condições químicas na célula mudam, o padrão de regulação alostérica também pode mudar.

                                    · Ao se ligar a enzimas-chave, os reagentes e produtos da hidrólise do ATP podem desempenhar um papel importante no equilíbrio do fluxo de tráfego entre as vias anabólicas e catabólicas.

                                    ° Por exemplo, o ATP se liga a várias enzimas catabólicas alostericamente, inibindo sua atividade ao diminuir sua afinidade pelo substrato.

                                    ° ADP funciona como um ativador das mesmas enzimas.

                                    ° ATP e ADP também afetam enzimas-chave nas vias anabólicas.

                                    ° Desse modo, as enzimas alostéricas controlam as taxas das principais reações nas vias metabólicas.

                                    · Em enzimas com múltiplas subunidades catalíticas, a ligação por um substrato a um sítio ativo estabiliza mudanças conformacionais favoráveis ​​em todas as outras subunidades, um processo denominado Cooperatividade.

                                    ° Este mecanismo amplifica a resposta das enzimas aos substratos, preparando a enzima para aceitar substratos adicionais.

                                    · Um método comum de controle metabólico é inibição de feedback em que uma etapa inicial de uma via metabólica é desligada pelo produto final da via.

                                    ° O produto atua como um inibidor de uma enzima na via.

                                    · A inibição por feedback evita que uma célula desperdice recursos químicos, sintetizando mais produto do que o necessário.

                                    2. A localização de enzimas dentro de uma célula ajuda a ordenar o metabolismo.

                                    · Estruturas dentro da célula ajudam a colocar ordem nas vias metabólicas.

                                    · Uma equipe de enzimas para várias etapas de uma via metabólica pode ser montada como um complexo multienzimático.

                                    · O produto da primeira reação pode então passar rapidamente para a próxima enzima até que o produto final seja liberado.

                                    · Algumas enzimas e complexos enzimáticos têm localizações fixas dentro das células como componentes estruturais de membranas específicas.

                                    ° Outros estão confinados em organelas eucarióticas fechadas por membrana.

                                    · Metabolismo, o conjunto de interseção de vias químicas características da vida, é uma interação coreografada de milhares de diferentes tipos de moléculas celulares.


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