6.1: Energia e metabolismo

Habilidades para desenvolver

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

Cientistas usam o termo bioenergética para discutir o conceito de fluxo de energia (Figura\(\PageIndex{1}\)) através de sistemas vivos, como células. Processos celulares, como a construção e a decomposição 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 foi usado, as células devem produzir continuamente mais energia para reabastecer a usada pelas muitas reações químicas que exigem energia e que ocorrem constantemente. Todas as reações químicas que ocorrem dentro das células, incluindo aquelas que usam energia e aquelas que liberam energia, são o metabolismo da célula.

Figura\(\PageIndex{1}\): A maioria das formas de vida na Terra obtém sua energia do sol. As plantas usam a fotossíntese para capturar a luz solar, e os herbívoros as comem para obter energia. Os carnívoros comem os herbívoros e os decompositores digerem a matéria vegetal e animal.

Metabolismo dos carboidratos

O metabolismo do açúcar (um carboidrato simples) é um exemplo clássico dos muitos processos celulares que usam e produzem energia. Os seres vivos consomem açúcar como uma importante fonte de energia, porque as moléculas de açúcar têm uma grande quantidade de energia armazenada em suas ligações. A quebra da glicose, um açúcar simples, é descrita pela equação:

\[\ce{C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + (energy)} \nonumber\]

Os carboidratos consumidos têm suas origens na fotossíntese de organismos como plantas (Figura 6.1.2). Durante a fotossíntese, as plantas usam a energia da luz solar para converter o gás dióxido de carbono (CO ₂) em moléculas de açúcar, como a glicose (C ₆ H ₁₂ O ₆). Como esse processo envolve a síntese de uma molécula maior que armazena energia, ele requer uma entrada de energia para prosseguir. A síntese de glicose é descrita por esta equação (observe que é o inverso da equação anterior):

\[\ce{6CO_2 + 6H_2O + (energy) \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2} \nonumber\]

Durante as reações químicas da fotossíntese, a energia é fornecida na forma de uma molécula de altíssima energia chamada ATP, ou trifosfato de adenosina, que é a principal moeda de energia de todas as células. Assim como o dólar é usado como moeda para comprar bens, as células usam moléculas de ATP como moeda de energia para realizar trabalhos imediatos. O açúcar (glicose) é armazenado como amido ou glicogênio. Polímeros de armazenamento de energia como esses são decompostos em glicose para fornecer moléculas de ATP.

A energia solar é necessária para sintetizar uma molécula de glicose durante as reações da fotossíntese. Na fotossíntese, a energia luminosa do sol é inicialmente transformada em energia química que é armazenada temporalmente nas moléculas transportadoras de energia ATP e NADPH (fosfato de nicotinamida adenina dinucleotídeo). A energia armazenada em ATP e NADPH é então usada posteriormente na fotossíntese para construir uma molécula de glicose a partir de seis moléculas de CO ₂. Esse processo é análogo a tomar o café da manhã para adquirir energia para o corpo que pode ser usada 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 ser combinadas e convertidas em outros tipos de açúcares. Quando os açúcares são consumidos, as moléculas de glicose eventualmente entram em cada célula viva do organismo. Dentro da célula, cada molécula de açúcar é decomposta por meio de uma série complexa de reações químicas. O objetivo dessas reações é coletar a energia armazenada dentro das moléculas de açúcar. A energia coletada é usada para produzir moléculas de ATP de alta energia, que podem ser usadas para realizar trabalhos, alimentando 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 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 moléculas equivalentes necessárias para a síntese de uma molécula de glicose. Esse processo é uma forma fundamental e eficiente para as células gerarem a energia molecular de que necessitam.

Figura\(\PageIndex{2}\): Plantas, como este carvalho e a bolota, usam a energia da luz solar para produzir açúcar e outras moléculas orgânicas. Tanto as plantas quanto os animais (como esse esquilo) usam a respiração celular para obter energia das moléculas orgânicas produzidas originalmente pelas plantas. (crédito “bolota”: modificação da obra de Noel Reynolds; crédito “esquilo”: modificação da obra de Dawn Huczek)

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, eventualmente produzindo um produto ou produtos finais. No caso do metabolismo do açúcar, a primeira via metabólica sintetizou açúcar a partir de moléculas menores, e a outra via decompôs o açúcar em moléculas menores. Esses dois processos opostos - o primeiro que requer energia e o segundo que produz energia - são chamados de vias anabólicas (construção) e catabólicas (quebra), respectivamente. Consequentemente, o metabolismo é composto de construção (anabolismo) e degradação (catabolismo).

Conexão de evolução: evolução das vias metabólicas

Figura\(\PageIndex{3}\): Esta árvore mostra a evolução dos vários ramos da vida. A dimensão vertical é o tempo. As formas iniciais de vida, em azul, usavam o metabolismo anaeróbico para obter energia do ambiente.

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

Os organismos provavelmente desenvolveram o metabolismo anaeróbico para sobreviver (organismos vivos surgiram há cerca de 3,8 bilhões de anos, quando a atmosfera não tinha oxigênio). 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\(\PageIndex{3}\)). As evidências indicam que, com o tempo, as vias divergiram, adicionando enzimas especializadas para permitir que os organismos se adaptem melhor ao ambiente, aumentando assim suas chances de sobrevivência. No entanto, permanece o princípio subjacente de que todos os organismos devem coletar energia de seu ambiente e convertê-la em ATP para realizar funções celulares.

Vias anabólicas e catabólicas

As vias anabólicas requerem uma entrada de energia para sintetizar moléculas complexas a partir de moléculas mais simples. Sintetizar açúcar a partir do CO ₂ é um exemplo. Outros exemplos são a síntese de grandes proteínas 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 essenciais para a vida da célula, ocorrem constantemente e exigem energia fornecida pelo ATP e outras moléculas de alta energia, como NADH (dinucleotídeo de nicotinamida adenina) e NADPH (Figura\(\PageIndex{4}\)).

O ATP é uma molécula importante para as células terem sempre um suprimento suficiente. A decomposição dos açúcares ilustra como uma única molécula de glicose pode armazenar energia suficiente para produzir uma grande quantidade de ATP, 36 a 38 moléculas. Esse é um caminho catabólico. As vias catabólicas envolvem a degradação (ou decomposição) de moléculas complexas em moléculas mais simples. A energia molecular armazenada nas ligações de moléculas complexas é liberada em vias catabólicas e coletada de forma que possa ser usada para produzir ATP. Outras moléculas armazenadoras de energia, como gorduras, também são decompostas por meio de reações catabólicas semelhantes para liberar energia e produzir ATP (Figura\(\PageIndex{4}\)).

É importante saber que as reações químicas das vias metabólicas não ocorrem espontaneamente. Cada etapa da reação é facilitada ou catalisada por uma proteína chamada enzima. As enzimas são importantes para catalisar todos os tipos de reações biológicas — aquelas que requerem energia, bem como aquelas que liberam energia.

Figura\(\PageIndex{4}\): As vias anabólicas são aquelas que requerem energia para sintetizar moléculas maiores. As vias catabólicas são aquelas que geram energia ao quebrar moléculas maiores. Ambos os tipos de vias são necessários para manter o equilíbrio energético da célula.

Resumo

As células desempenham as funções da vida 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 decomposição de substâncias químicas complexas em substâncias mais simples, como a quebra de macromoléculas grandes. Esse processo é conhecido como catabolismo, e essas reações estão associadas a uma liberação de energia. No outro extremo do espectro, o anabolismo se refere a processos metabólicos que constroem moléculas complexas a partir de moléculas mais simples, como a síntese de macromoléculas. Os processos anabólicos requerem energia. A síntese de glicose e a degradação da glicose são exemplos de vias anabólicas e catabólicas, respectivamente.

Glossário

anabólica

(também, anabolismo) vias que requerem uma entrada de energia para sintetizar moléculas complexas a partir de moléculas mais simples

bioenergética

estudo da energia que flui através de sistemas vivos

catabólico

(também, catabolismo) vias nas quais moléculas complexas são divididas em moléculas mais simples

metabolismo

todas as reações químicas que ocorrem dentro das células, incluindo anabolismo e catabolismo