Metabolismo

Metabolismo O metabolismo é um conjunto de reacções químicas que devem ser realizadas pelas células para a sua sobrevivência. As células são

constituídas,

maioritariamente

por

macromoléculas e água e por isso necessitam de ferramentas químicas necessárias à síntese dos diversos monómeros, os nutrientes. Estes podem ser usados como fonte de carbono ou como fonte de energia. A fonte de energia é usada no catabolismo - degradação de moléculas maiores para mais pequenas, havendo formação de energia que, posteriormente, será usada na locomoção e que, juntamente com a fonte de carbono, a partir do anabolismo, permite a biossíntese. Os organismos podem ser classificados consoante as suas fontes de carbono e de energia. Fonte de Energia

Quimiotróficos (químicos)

Litotróficos (inorgânicos)

Fonte de carbono Autotróficos (CO2) Heterotróficos (orgânicos)

Organotróficos (orgânicos) Fototróficos (luz)

Autotróficos (CO2) Heterotróficos (orgânicos)

Os organotróficos nunca são autotróficos, já os litotróficos tanto podem ser hetero como auto, o que lhes confere vantagens em relação aos organotróficos pois não competem com estes e ainda usam os seus produtos de excreção. Enzimas As reacções químicas que mencionamos antes são catalisadas por enzimas (conjunto de proteínas), chamadas de catalisadores. Um catalisador é uma substância que: •

Permite à célula reduzir a energia de activação da reacção;

•

Aumenta a velocidade da reacção;

•

Não é modificado ou consumido durante a reacção. 1

Estas enzimas são especificas para um substrato ou para um conjunto de substratos e, essa especificidade é lhes conferida pela diferente conformação dos aminoácidos no local activo (local onde se liga o substrato, apresenta uma estrutura tridimensional). Esta ligação é feita por ligações fracas, como interacções hidrofóbicas, pontes de hidrogénio e forças de van der walls. S + E ↔ SE ↔ E + P Muitas enzimas, para serem activas, contêm pequenas moléculas não proteicas que participam na função catalítica, os cofactores: •

Grupos prostéticos:
Moléculas orgânicas/iões (Mg2+, Fe2+);
Ligam-se fortemente às enzimas no local activo, em geral de modo permanente. Têm como funções:
Ponte de ligação entre o substrato e a enzima;
Estabilizador da conformação activa da proteína;
Transportador de iões e electrões.

•

Coenzimas (NAD o FAD e a CoA):
Derivados de nucleótidos e vitaminas
Ligam-se fracamente às enzimas e, uma única molécula pode associar-se a várias enzimas diferentes, em momentos distintos (não específica). Têm como funções:
Transportadores intermediários de pequenas moléculas/iões/e- de uma enzima para outra (necessário que ocorra catálise). As coenzimas Nad e Fad são ambas transportadores de electrões e de protões (átomos de

hidrogénio). O NADH (bom dador de electrões – fica reduzido) transfere dois átomos de hidrogénio ao próximo transportador da cadeia (ao aceitador) ficando na forma de NAD+, por um processo designado desidrogenação.

Oxidada

Reduzida

Redução

2

NAD+/NADH – reacções catabólicas (geração de energia) NADP+/NADPH – reacções anabólicas (gasto de nergia) A coenzima A tem um papel importante na obtenção de energia, já que actua na descarboxilação oxidativa do ácido pirúvico antes do ciclo de Krebs. Aliás a hidrólise da CoA permite a geração de energia livre suficiente para promover a síntese de uma ligação de fosfato de alta energia, por exemplo o ATP. A acetil – CoA é um composto rico em energia que junto com o piruvato (produto da glicólise), transforma-se em acetil-fosfato, formando-se depois acetato e ATP. (Importantes para microrganismos cuja produção da energia depende da fermentação)

Oxidação/Redução Oxidação – liberta electrões Redução – capta electrões Reduzida/redutora – dador de electrões (fonte de energia) Oxidada /oxidante – aceitador de electrões Pares redox – O2/H2O (oxidada/reduzida)

reduzida

Red1

oxidada

+

Ox2

Ox1

→

+

Red2

oxidação redução

reduzida

Glucose

oxidada

+

O2

→

CO2

+

H2O

oxidação redução

As substâncias variam na sua tendência para se tornarem oxidadas ou reduzidas – potencial de redução (E0’). A conservação de energia oriunda das reacções químicas envolve reacções redox e a obtenção máxima de energia resulta da transferência de electrões dum composto com um potencial redutor mais baixo para outro com potencial redutor mais alto. Uma boa e fácil maneira de visualizar a transferência de electrões em sistemas biológicos é através de torres de electrões. 3

Potencial redutor mais negativo Substâncias reduzidas Bom dador de electrões Mau aceitador de electrões

Potencial redutor mais positivo Substâncias oxidadas Mau dador de electrões Bom aceitador de electrões

A célula usa sempre como: •

Fonte de energia (composto disponível do par que tenha E0´ mais negativo);

•

Aceitador final de electrões (composto disponível do par que tenha E0´ mais positivo). Isto porque assim, obtém mais energia. À medida que os electrões são doados pelos compostos do topo estes podem ser aceites

por qualquer aceitador da torre, mas quanto maior a distância entre os compostos, ou seja, quanto maior a diferença entre os potenciais redutores, mais energia é libertada. Por isso é que a respiração permite a obtenção de mais energia em comparação com a fermentação.

Catabolismo Consiste na transformação de substâncias até que a célula não seja capaz de retirar mais electrões e, para isso, são necessários: •

Composto reduzido capaz de ceder electrões

•

Composto interno ou externo que aceite os electrões.

Muitos organismos podem recorrer a diferentes vias metabólicas, sendo que a utilização de uma, em particular, depende da constituição genética do organismo e das condições ambientais. Visto isto, há a necessidade de geradores de energia. Estes podem ser: •

Reacções redox;

•

Geração de equivalentes redutores - Coenzimas reduzidas como NADH;

•

Geração de gradiente protónico;

4

•

Geração de ATP;

•

Produção de polímeros insolúveis, por alguns microrganismos, que podem ser posteriormente oxidados para produção de ATP (exemplo: amido e glicogénio).

A conservação de energia está relacionada com: •

Fermentação (não têm aceitadores externos de electrões) O ATP é produzido por fosforilação a nível de substrato. O ATP é sintetizado directamente por um intermediário rico em energia durante o catabolismo.

•

Fotofosforilação Ocorre em organismos fototróficos.

•

Respiração (Fosforilação oxidativa, onde o ATP é produzido pelo gradiente electroquímico transmembranar):
Aeróbia
Anaeróbia

Relativamente à geração de ATP esta pode ser por:

•

Fosforilação oxidativa (Ocorre na respiração. O ATP é produzido

graças

ao

gradiente

electroquímico

transmembranar, sendo que este acoplamento entre o gradiente e a síntese do ATP é mediado pela ATPsintetase);

•

Fosforilação a nível do substrato (Ocorre na fermentação. O ATP é formado durante as etapas de catabolismo dum composto orgânico).

Como a fonte de energia cede electrões, a célula tem: •

Composto/sistema celular que os recebe;

•

Acesso a um composto externo que os recebe (aceitador final de electrões).

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Os procariotas têm capacidade para utilizar uma grande variedade de substâncias como fonte de energia e transformá-las transformá em metabolitos de vias metabólicas centrais. centrais

ATP – está continuamente a ser quebrada para ser utilizada nas reacções anabólicas e depois é resintetizda às custas das reacções catabólicas.

Organotrofia Fonte de energia

glucose

Glicólise (ou via Embden – Meyerhof)

Processo anaeróbio e divide-se se em duas partes: • fosfofrutocinase

3C

3C

Activação: formam-

se duas moléculas de gliceraldeído 3-P 3 e gastam-se

desidrogenase

duas moléculas de ATP. Não tem reacções redox. •

aldolase

Oxidação: ocorrem

reacções redox, redox são enolase

produzidas duas moléculas de ATP e uma de piruvato por cada molécula de gliceraldeído 3P e dihidroxiacetona.

6

Em alguns organismos o que entra numa célula é a glicose 6P e não a Glicose, porque alguns sistemas de transporte fosforilam a Glicose. Trata-se se de uma fosforilação a nível de substrato. Rendimento: Gasta 1 Glucose 2 ATP

Forma 2 Piruvato 4 ATP 2 NADH

Via pentose – Fosfato Importante porque forma coenzimas NADPH e intermediários que vão estar envolvidos na síntese de compostos celulares. 3C

2C

Quando as pentoses são necessárias, degradam-se se hexoses através desta via. Aqui há síntese de ribose 6P → nucleótidos. O gliceraldeído 3P (no fim) pode ser usado na Glicólise ou na via pentose – fosfato. A frutose ose 6P pode passar a glucose 6 6P (processo reversível).

Rendimento: Gasta 3 Glucose 3 ATP

Forma 2 Frutose 6P 1 Gliceraldeído 3P 3 CO2 6 NADPH

Glicólise

Gasta 1 Gliceraldeído 3P

Forma 1 Piruvato 2 ATP 1 NADH Só se forma ATP se o Gliceraldeído 3P for usado na Glicólise. 7

Quando o Gliceraldeído 3P re re-entra na via: Gasta Forma 1 Glucose 6 CO2 1 ATP 12 NADPH Este NADPH que se forma pode ser usado para fins metabólicos, como potencial redutor.

Via Entner – Doudoroff

Usado para o catabolismo de açúcar nas bactérias (pseudomonadas). Não descarboxilam o 6-fosfo 6 Gluconato. É menos rentável do que a glicólise, porque só se forma uma molécula de gliceraldeído 3P 3P. 3C

3C

As enzimas são as mesmas das dos organismos com glicólise.

Rendimento: Gasta

Forma (contando com a glicólise já)

1 Glucose

2 ATP

1 ATP

2 Piruvato 1 NADH 1 NADPH

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Fonte de energia •

Ácidos gordos

Triglicerídeos

Hidrolizados pelas lipases

Fosfolípido

Hidrolizados pelas fosfolipases

Após a acção da enzima lipase, que destrói a ligação éster entre o glicerol e os ácidos gordos, os ácidos gordos ficam livres para a β oxidação lipídica, na qual se dá a remoção de 2 carbonos de cada vez.

O ácido gordo é primeiro activado por uma coenzima. A oxidação resulta na libertação de uma acetil-CoA e na formação de um novo ácido gordo, 2 átomos de carbono mais curto. Na oxidação, dá-se a 1ª desidrogenação, sendo os electrões transferidos para uma molécula de FAD+, libertando-se assim uma molécula de FADH. Após a adição de uma molécula de H2O, ocorre uma oxidação, sendo os electrões transferidos para uma molécula de NAD+, libertando-se uma molécula de NADH. Este processo é depois repetido e uma nova molécula de acetil Co-A é libertada. Esta acetil CoA é mais tarde oxidada no ciclo do ácido cítrico, ou é convertida em hexose ou outros constituintes da célula no ciclo do glioxilato. Quando a fonte de energia são alcanos ou álcoois ou ainda acetonas, também o objectivo final é obter actil-CoA através de reacções redox. •

Alcanos

Não têm função ácida, então vão buscar O2 à atmosfera – monooxigenase (introduz 1 grupo hidroxilo).

9

•

Alcoóis / Cetonas

•

Proteínas proteases

Proteína aminoácidos (Alanina, Triptofano) Alanina → Piruvato Triptofano → Catecol → Piruvato e acetil-CoA

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•

Compostos aromáticos

Benzeno → Catecol → Piruvato e acetil-CoA

Ciclo de Krebs Na fermentação o piruvato é reduzido e convertido em produtos de fermentação que são mais tarde excretados, enquanto que na respiração o piruvato é oxidado a CO2. Esta oxidação dáse através do ciclo do ácido cítrico. O piruvato é primeiro descarboxilado, produzindo-se CO2, NADH e acetil-CoA. Esta combinase depois com o oxaloacetato, formando ácido cítrico. De seguida, dão-se uma série de hidratações, descarboxilações e oxidações e mais duas moléculas de CO2 são produzidas, mais 3 de NADH e mais uma FADH. No fim, o oxaloacetato é regenerado e volta ao início do ciclo. Este ciclo mineraliza completamente a matéria orgânica, tendo o CO2 como um dos produtos. Rendimento: Gasta

Forma

1 Piruvato

1 GTP 1 FADH 4 NADH 3 CO2

Com as coenzimas reduzidas, é necessário regenerá-las:

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Ausência de aceitador final de electrões externo; Fosforilação a nível de substrato.

Aceitador final de electrões externo; Cadeia de transporte de electrões; Fosforilação oxidativa.

Fermentação Em ambientes anóxicos, os compostos orgânicos são catabolizados por fermentação. Na fermentação, o ATP é sintetizado por fosforilação a nível de substrato (conservação de energia) e há produção e excreção de produtos formados a partir do substrato original (balanço redox). Há oxidação das coenzimas. Há compostos orgânicos que contêm uma uma ligação fosfatídica rica em energia, ou uma molécula de coenzima-A. A hidrólise destas ligações é altamente exergónica.

Composto orgânico

Produtos de fermentação +

NAD NADH Composto rico em energia

Composto oxidado

ADP

ATP

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Fermentação de açúcares •

Homoláctica

•

Heteroláctica

Não tem a aldolase como na glicólise

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•

Alcoólica

•

Ácido propiónico Pode começar com glucose ou com lactato/ácido láctico. 2 metilmalonil-CoA pode formar propionato ou fechar um ciclo juntandose ao piruvato para formar oxaloacetato e o CO2 é regenerado. Usa as enzimas do ciclo de Krebs.

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Fermentação ácidos mistos Formam-se ácido acético, láctico e succínico e também CO2, etanol e H2. É usada a glicólise e um microrganismo que usa esta fermentação é a E. coli. Fermentação de aminoácidos • Dador de electrões

Stickland reaction Algumas espécies Clostridrium obtêm a sua energia pela Aceitador fermentação de aminoácidos. de electrões Algumas espécies fermentam aminoácidos individuais, outras fermentam apenas pares de aminoácidos. Nesta situação, um aminoácido funciona como dador de electrões e é oxidado, enquanto que o outro aminoácido é o aceitador de electrões e é reduzido. Esta fermentação de pares de aminoácidos é a Stickland reaction.

Vários compostos orgânicos catabolizados pela fermentação:

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Respiração Transporte de electrões Os sistemas de transporte de electrões estão associados a membranas. Estes sistemas têm duas funções: •

Transferem electrões do dador primário ao aceitador final;

•

Conservam alguma energia libertada durante este processo e usam-na para

sintetizar ATP. No transporte de electrões participam várias enzimas, tais como NADH desidrogenase flavoproteína, proteínas de ferro sulfurosas, citocromos e quinonas (não proteicas). Os transportadores estão arranjados na membrana do que tem menor potencial de redução para o que tem maior. NADH desidrogenase (potencial ligeiramente mais positivo que as NADH) são proteínas ligadas ao interior da membrana. Têm um local activo que liga o NADH e aceitam 2 H+ e 2 e- do NADH, enquanto este é convertido a NAD+. Estes 2 H+ e 2 e- são então passados para a flavoproteína. A parte flavina da flavoproteína é reduzida quando aceita os electrões e os protões e oxida quando os electrões e protões são passados para o próximo transportador da cadeia. Esta aceita 2 H+ e 2 e- mas doa apenas os electrões a proteínas Fe-S; os H+ são excretados. As proteínas Fe-S (ex:ferrodoxina) aceitam e- e cedem electrões a quinonas. As quinonas são apolares/hidrofóbicas e, como as flavoproteínas aceita 2 H+ e 2 e- mas doa apenas os electrões a citocromos, enquanto que os H+ vão para o citoplasma ou são

Dador de electrões

excretados. Os citocromos são proteínas que contêm grupos heme prostéticos. Estes aceitam e- e cedem-nos entre si até ao aceitador final e, alguns excretam H+.

Aceitador externo de electrões

O transporte de electrões está orientado na membrana de maneira a que os electrões são separados dos protões. Os transportadores estão arranjados na membrana do potencial + negativo para o + positivo (aceitador final de electrões). Durante este processo, vários protões são libertados causando uma acidificação do lado externo da membrana. 16

Estes protões provêm de duas fontes: NADH e dissociação da água no citoplasma. Devido à libertação de H+ para o ambiente, há uma acumulação de OH- no interior da membrana. Nem o H+, nem o OH- podem difundir-se através da membrana pois estão carregados, assim o equilíbrio não pode ser restaurado espontaneamente. O resultado do transporte de electrões é a geração de um gradiente de pH e um potencial electroquímico através da membrana. A superfície interna da membrana torna-se electricamente negativa e alcalina e o exterior torna-se electricamente positivo e ácido. Isto torna a membrana “energizada” – gradiente electroquímico transmembranar. Esta energia pode, então, ser dissipada formando ATP, ou contribuindo para o transporte membranar ou ainda para a rotação flagelar. O complexo que converte o gradiente electroquímico transmembranar em ATP é a F0F1 ATP sintetase/ ATPase. Esta catalisa a reacção reversível entre ADP e Pi. Assim, a síntese de ATP ocorre a nível da membrana

H+

H+

citoplasmática da seguinte forma: quando um protão entra na célula (F0), ocorre a rotação das proteínas C que levam ao torque que é transmitido ao complexo F1, com transferência de energia. Isto causa a alteração da conformação da subunidade β, o que por sua vez é uma forma de energia potencial. Quando a subunidade beta volta à sua conformação normal, liberta-se energia que permite a reacção ADP + Pi → ATP. Este processo é chamado de fosforilação oxidativa.

A formação de ATP nunca é certa porque as células não têm todas o mesmo potencial de redução, variam de célula para célula e de organismo para organismo (3H+ → 1 ATP). Também se pode gastar ATP para repor os H+ do outro lado da célula, por causa do gradiente.

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•

Aeróbia

Nesta, o aceitador final externo dos electrões é o O2 (o par O2/H2O é o par mais electropositivo). Dador de electrões: NADH CH4 (metanotróficos)

•

Anaeróbia

Nesta, o aceitador final externo dos electrões é um composto orgânico ou inorgânico. inorgânico Como não é o oxigénio, a energia libertada é menor. Como dador de electrões tem-se se por exemplo: Nitrato (Pseudomonas eudomonas stutzeri) stutzeri)

Sulfato (bactérias sulfato redutoras)

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Há organismos facultativos, em relação aos aceitadores de electrões, mas se existir no meio O2 é este que é usado por ter um poder redutor mais positivo (obtém mais energia).

Escherichia coli Fermentação

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