O metabolismo é o conjunto de reações químicas que ocorrem dentro de um ser vivo e permitem que ele principalmente se mantenha vivo, se reproduza , se desenvolva e responda a estímulos em seu ambiente. Algumas dessas reações químicas ocorrem fora das células do corpo, como a digestão ou o transporte de substâncias entre as células. No entanto, a maioria dessas reações ocorre nas próprias células e constitui o metabolismo intermediário .
A célula bioquímica baseada em reações químicas catalisadas por enzimas , ou seja, proteínas, cada uma com a capacidade de facilitar uma reação química específica. Essas reações são governadas pelos princípios da termodinâmica e são organizadas em vias metabólicas . Estas últimas são constituídas por um conjunto de transformações que permitem a conversão de um composto químico em outro por meio de transformações sucessivas, paralelas ou cíclicas, catalisadas por enzimas. Algumas dessas enzimas estão sujeitas à regulação por metabólitos celulares ou por sinais extracelulares. Esses fatores reguladores modificam a cinética enzimática , acelerando ou desacelerando certas reações determinantes e resultando na autorregulação do sistema pela abertura e fechamento das várias vias metabólicas dependendo das circunstâncias.
Em todas as reações que constituem o metabolismo, distingue-se por um lado o anabolismo , que representa todas as vias de biossíntese dos constituintes celulares, e por outro lado o catabolismo , que representa todas as vias de degradação desses constituintes celulares em pequenas moléculas a libere energia por oxidação ou para reconstruir outros constituintes celulares. As reações de anabolismo e catabolismo estão interconectadas por meio de moléculas especializadas que atuam como cofatores enzimáticos. Este é, por exemplo, o caso do trifosfato de adenosina (ATP), cuja hidrólise em difosfato de adenosina (ADP) e fosfato inorgânico (P i ) é frequentemente associada a reações anabólicas para torná-las termodinamicamente favoráveis. A nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD + no estado oxidado) e o nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato (NADPH em estado reduzido), por sua vez, são portadores de elétrons utilizados nas reações redox celulares NAD + mais no catabolismo e NADPH no anabolismo. Da coenzima também permitem a troca de material entre diferentes vias metabólicas. Assim, a coenzima A torna possível ativar grupos acil para formar um acil-CoA , o mais importante dos quais é o acetil-CoA : este último é encontrado no cruzamento de várias vias metabólicas importantes, como a degradação de carboidratos e lipídios , a produção de energia metabólica ou a biossíntese de ácidos graxos e oses .
O metabolismo de um ser vivo define os tipos de substâncias químicas que são nutrientes para este organismo e que, ao contrário, são venenos : assim, sulfeto de hidrogênio H 2 Sé essencial para o desenvolvimento de certos procariontes , ao passo que esse gás é tóxico para os animais em geral. A intensidade do metabolismo basal também determina quanto alimento o corpo necessita.
É impressionante observar a similaridade de vias metabólicas fundamentais e compostos bioquímicos nos mais diversos organismos. Assim, os ácidos carboxílicos que constituem os intermediários do ciclo de Krebs são encontrados em todos os seres vivos conhecidos hoje, variando de um procarioto como E. coli a um metazoário como o elefante . Essas semelhanças notáveis são certamente devido ao aparecimento precoce dessas vias metabólicas durante a evolução das formas de vida na Terra e sua conservação devido à sua eficiência.
“Podemos considerar, de forma arbitrária, três períodos na evolução dos modos de raciocínio sobre o funcionamento dos organismos vivos, da Antiguidade Grega ao Renascimento : o período dos filósofos gregos ricos em ideias ousadas, muitas vezes especulativas., O Idade Média dominada pelo poder eclesiástico que tira da herança grega o que está de acordo com o finalismo da tradição bíblica , enfim o período ou floresce a alquimia que marca um renascimento na prática experimental e anuncia o novo espírito do Renascimento ” .
Alguns dos filósofos gregos meditam sobre a estrutura e dinâmica dos seres vivos. Sua teoria dos quatro elementos , ensinou ao XVIII th século, acredita que o mundo (e, portanto, organismos vivos, órgãos e tecidos) resultado da combinação de terra, fogo, ar e água e que deve proporcionar uma melhor compreensão da o metabolismo dos estados de ânimo (cada humor sendo associado a um órgão). Em seu tratado Partes de animais , Aristóteles descreve o processo metabólico a partir de um princípio vital , o pneuma ( pneuma inato trazido pelo esperma ou pneuma inspirado, respiração vital produzida pela evaporação do sangue que ocorre no coração, alma imediata) . Este sopro vital, feito no coração a partir do ar inspirado “distribui o calor que dá vida ao corpo; permite a digestão e assimilação dos alimentos. Os alimentos esmagados pelos dentes são desintegrados no estômago, depois no intestino para serem transportados para o coração e transformados em sangue ”
A fisiologia experimental enraizou-se nos alquimistas da Antiguidade Oriental, da Idade Média e do Renascimento, cujos experimentos com metais prepararam o método experimental . Nesse contexto, Santorio Santorio é pioneiro ao inventar uma balança acoplada a um assento, para pesar tanto o que ele absorve, quanto o que rejeita com a transpiração e excrementos . Seu experimento metabólico realizado ao longo de trinta anos deu os primeiros resultados de um estudo de longo prazo sobre o metabolismo humano, publicado em seu livro Ars de statica medicina em 1614.
A Nutrição Humana torna-se uma disciplina científica no final do XVIII ° século e concentra-se o XIX th século na base do metabolismo e valor calórico dos alimentos . As experiências pioneiras para verificar as ligações entre alimentação e energia são de fato realizadas no contexto da crise sociológica da revolução industrial onde se torna "importante para os gestores basear a hierarquia do trabalho nas capacidades de cada um e, para o trabalhador, conhecer seu papel no sistema ” . O impacto do “paradigma energético ” na pesquisa se traduz então em “a medição do desempenho da atividade corporal [que] se torna o elemento central do processo de experimentação com a fisiologia ” .
Durante os anos de 1854 a 1864, Louis Pasteur realizou experimentos mostrando que a fermentação alcoólica não era um processo puramente químico, mas um processo fisiológico resultante do metabolismo de microrganismos . Em 1897, o químico Eduard Buchner e seu irmão Hans (de) , bacteriologista, mostram que essa fermentação requer mediadores do metabolismo, enzimas , biocatalisadores que permitem acelerar a maioria das reações bioquímicas que ocorrem na célula ( anabolismo , catabolismo , oxidação -redução , transferência de energia ).
Desde a década de 1950, as pesquisas bioquímicas se multiplicaram. Apoiando-se no desenvolvimento de técnicas como cromatografia , microscopia eletrônica , cristalografia de raios X , traçado isotópico , espectroscopia de RMN ou dinâmica molecular , permitem um melhor conhecimento das vias metabólicas e das moléculas envolvidas.
Os animais , as plantas e os micróbios são constituídos por três famílias principais de moléculas :
Sendo essas moléculas essenciais à vida, o metabolismo celular consiste em sintetizá-las para produzir novas células e tecidos em crescimento , ou quebrá-las durante a digestão para usá-las como fontes de energia e constituintes elementares que podem ser reciclados na biossíntese de novas biomoléculas .
As macromoléculas biológicas são, elas próprias, polímeros pertencentes a três famílias diferentes:
As proteínas são compostos de ácidas a-aminoácidos ligados por uma ligação peptídica para formar uma cadeia linear. Muitas proteínas são enzimas que catalisam as reações químicas do metabolismo. Outras proteínas têm função estrutural ou mecânica, como as do citoesqueleto , que mantém a forma geral da célula. As proteínas também desempenham um papel fundamental na sinalização celular , como os anticorpos do sistema imunológico , a adesão celular , o transporte ativo através das membranas e o ciclo celular . Os aminoácidos também ajudam a fornecer energia para o metabolismo celular, alimentando o ciclo de Krebs , especialmente quando as principais fontes de energia, como a glicose , estão faltando ou quando a célula está sob estresse metabólico.
Os lipídios são o grupo de bioquímicos mais diverso. A sua principal função estrutural é a de constituir as membranas celulares, em particular da membrana plasmática e do sistema endomembranar das células eucarióticas , bem como de organelas como as mitocôndrias e os cloroplastos , ou mesmo de suborganelas como os tilacóides . Eles também são usados como fontes de energia. Eles são geralmente definidos como moléculas biológicas hidrofóbicas e anfifílicas , solúveis em solventes orgânicos , como benzeno e clorofórmio . As gorduras estão entre os lipídios, um grande grupo de sólidos consistindo essencialmente de ácidos graxos e glicerol . Uma molécula composta de três resíduos de ácidos graxos que esterificam os três hidroxilas de um resíduo de glicerol é chamada de triglicerídeo . Existem várias variações em torno deste tema central, por exemplo com a esfingosina no caso dos esfingolípidos e grupos hidrofílicos como o grupo fosfato no caso dos fosfolípidos . Os esteróides , como o colesterol , são outra importante família de lipídios.
Os carboidratos são aldeídos ou cetonas com uma pluralidade de grupos hidroxila . Essas moléculas podem existir na forma linear ou cíclica . Estas são as moléculas biológicas mais abundantes. Desempenham um grande número de funções, como substâncias de armazenamento e transporte de energia ( amido , glicogênio ) ou como componentes estruturais ( celulose nas plantas , quitina nos animais ). Os monômeros de carboidratos são chamados de oses : eles são, por exemplo , galactose , frutose e especialmente glicose . Eles podem polimerizar para formar polissacarídeos com uma variedade quase infinita de estruturas.
Os nucleosídeos resultam da ligação de uma molécula de ribose ou desoxirribose a uma nucleobase . Os últimos são compostos heterocíclicos contendo átomos de nitrogênio ; eles são divididos em purinas e pirimidinas . Os nucleotídeos são formados a partir de um nucleosídeo e um ou mais grupos fosfato ligados ao açúcar.
Os dois ácidos nucléicos , ácido ribonucléico (RNA) e ácido desoxirribonucléico (DNA), são polímeros de nucleotídeos ou polinucleotídeos . O RNA é composto de ribonucleotídeos (contendo uma ribose) e DNA de desoxirribonucleotídeos (contendo uma desoxirribose). Os ácidos nucléicos permitem a codificação e o termo da informação genética e sua decodificação por meio de sucessivos processos de transcrição e tradução gênica da biossíntese de proteínas . Essas informações são preservadas pelos mecanismos de reparo do DNA e transmitidas através do processo de replicação do DNA . Muitos vírus , conhecidos como vírus de RNA , têm um genoma composto de RNA e não de DNA - por exemplo, o vírus da imunodeficiência humana (HIV) ou o vírus da influenza - alguns recorrem à transcriptase reversa para gerar na célula hospedeira um molde de DNA a partir de o RNA do genoma viral, outros são RNA replicado diretamente em RNA por uma RNA polimerase dependente de RNA (ou replicase). O RNA de ribozimas , como spliceossomos (ou partículas de splicing ) e ribossomos é semelhante às enzimas na medida em que é capaz de catalisar as reações químicas .
O metabolismo envolve um grande número de reações químicas diferentes, formando uma rede complexa de transformações, mas a maioria delas pode ser comparada a alguns tipos de reações básicas que consistem em transferências de grupos funcionais . Isso resulta do fato de que a bioquímica celular exige um número relativamente pequeno de moléculas que atuam como ativadores capazes de transportar grupos de átomos entre diferentes reações. Essas moléculas são chamadas de coenzimas . Cada tipo de transferência de grupo funcional envolve uma coenzima específica. Cada uma dessas coenzimas também é específica para um certo número de enzimas que catalisam as reações de transferência, enzimas que as alteram e regeneram permanentemente.
O trifosfato de adenosina (ATP) é a coenzima universal de troca de energia em todos os organismos conhecidos. Este nucleotídeo permite a transferência de energia metabólica entre as reações que liberam energia e aquelas que a absorvem. Existe apenas uma pequena quantidade de ATP nas células a qualquer momento, mas como esse capital de ATP é continuamente consumido e regenerado, o corpo humano pode, na verdade, consumir uma massa quase equivalente de ATP todos os dias ao seu peso total. O ATP permite acoplar o anabolismo ao catabolismo , consumindo o primeiro o ATP produzido pelo segundo. Também serve como um transportador de grupos fosfato em reações de fosforilação .
As vitaminas são compostos orgânicos essenciais em pequenas quantidades ao funcionamento das células mas que elas próprias não podem produzir. Em humanos , a maioria das vitaminas se transforma em coenzimas após algumas mudanças nas células. Assim, as vitaminas solúveis em água (vitaminas B ) são fosforiladas ou acopladas a nucleotídeos quando usadas em células. Por exemplo, a niacina (ácido nicotínico) é um componente do dinucleotídeo adenina nicotinamida (NAD + ) e fosfato de dinucleotídeo adenina nicotinamida (NADP + ), que são coenzimas importantes envolvidas nas reações redox como aceitadores de hidrogênio . Existem centenas de desidrogenases , que subtraem elétrons de seu substrato e reduzem o NAD + a NADH e H + . Esta forma reduzida da coenzima pode então ser usada por uma redutase . O casal NAD + / NADH está mais envolvido nas reações catabólicas, enquanto o casal NADP + / NADPH é específico para o anabolismo.
Os minerais desempenham um papel fundamental no metabolismo. Alguns são abundantes, como sódio e potássio , enquanto outros são ativos apenas em baixas concentrações. Cerca de 99% da massa dos mamíferos é composta pelos elementos carbono , nitrogênio , cálcio , sódio , cloro , potássio , hidrogênio , fósforo , oxigênio e enxofre . Os compostos orgânicos ( proteínas , lipídios e carboidratos ) contêm a maior parte do carbono e nitrogênio, enquanto a maior parte do oxigênio e do hidrogênio estão presentes na forma de água .
Os sais minerais mais abundantes atuam como eletrólitos . Os principais íons são sódio Na + , potássio K + , cálcio Ca 2+ , magnésio Mg 2+ , cloreto Cl - , fosfato PO 4 3−e o bicarbonato de íon orgânico HCO 3 -. A manutenção de determinados gradientes de concentração nas membranas celulares torna possível manter o equilíbrio osmótico e o pH do meio intracelular. Os íons também são essenciais para o funcionamento dos nervos e músculos graças ao potencial de ação resultante da troca de íons, através da membrana plasmática , entre o fluido extracelular (in) e o fluido intracelular, ou seja - digamos o citosol . Os íons entram e saem das células através de proteínas de membrana chamadas canais iônicos . Assim, a contração do músculo depende da passagem de iões de cálcio, sódio e potássio através dos canais de iões da membrana celular e os túbulos T .
Os metais de transição estão geralmente presentes em vestígios em organismos vivos, sendo o zinco e o ferro os mais abundantes. Esses metais atuam como cofatores de certas proteínas e enzimas e são essenciais para seu funcionamento adequado. Este é, por exemplo, o caso de uma enzima como a catalase e uma proteína transportadora de oxigênio como a hemoglobina . Os cofatores metálicos ligam-se especificamente a certos sítios proteicos. Embora os cofatores possam ser alterados durante a reação catalisada, eles sempre voltam ao seu estado original no final da reação. Eles são absorvidos por organismos que usam transportadores específicos, por exemplo, sideróforos para absorver ferro, e são ligados a proteínas de armazenamento, como ferritina e metalotioneína, quando não estão em uso.
O catabolismo é o conjunto de processos metabólicos de degradação de biomoléculas . Isso inclui, por exemplo, a degradação e oxidação de nutrientes . A função do catabolismo é fornecer energia e os constituintes elementares essenciais para o metabolismo da célula. A natureza exata dessas reações depende de cada organismo. Os seres vivos podem ser classificados de acordo com suas fontes de energia e carbono, que é chamado de tipo trófico :
Fonte de energia | Luz solar | Foto- | -troféu | ||
Compostos químicos | quimio | ||||
Doador de elétron | Compostos orgânicos | organo- | |||
Compostos inorgânicos | lito- | ||||
Fonte de carbono | Compostos orgânicos | hetero- | |||
Compostos inorgânicos | auto- |
Os organotróficos utilizam moléculas orgânicas como fonte de energia, enquanto os litotróficos utilizam substratos inorgânicos e os fototróficos convertem a energia solar em energia química . Esses diferentes metabolismos, no entanto, todos dependem da transferência de elétrons de compostos doadores - como moléculas orgânicas, água , amônia , sulfeto de hidrogênio ou mesmo cátions de ferro (II) Fe 2+ (ferro ferroso.) - para compostos aceitadores de elétrons, como como oxigênio , nitratos ou mesmo sulfatos . Em animais , essas reações levam à quebra de moléculas orgânicas complexas em moléculas mais simples, como dióxido de carbono e água . Em organismos fotossintéticos , como plantas e cianobactérias , essas reações liberam energia da luz solar que é absorvida e armazenada pelo corpo.
Os principais grupos de reações catabólicas em animais podem ser classificados em três estágios principais. No primeiro, grandes moléculas orgânicas como proteínas , polissacarídeos ou lipídios são digeridos em seus componentes elementares fora das células . Esses componentes básicos são então absorvidos pelas células e convertidos em metabólitos ainda menores, na maioria das vezes acetil-coenzima A ( acetil-CoA ), com a liberação de um pouco de energia. Finalmente, o resíduo acetil da acetil-CoA é oxidado a água e dióxido de carbono pelo ciclo de Krebs e pela cadeia respiratória , esta última permitindo que a energia dos elétrons de alto potencial transferidos para o NADH sejam liberados durante o ciclo de Krebs.
As macromoléculas como o amido , a celulose e as proteínas , que são biopolímeros , não podem ser facilmente absorvidas pelas células e devem ser clivadas em oligômeros , ou mesmo monômeros , para serem metabolizadas. Isso é chamado de digestão . Várias classes de enzimas comuns realizam essas transformações, por exemplo , peptidases , que clivam proteínas em oligopeptídeos e aminoácidos , ou mesmo glicosídeos hidrolases (ou glicosidases ), que clivam polissacarídeos em oligossacarídeos e oses .
Os microrganismos secretam suas enzimas digestivas em sua vizinhança, enquanto os animais secretam essas enzimas apenas de células especializadas em seu sistema digestivo . Aminoácidos e monossacarídeos liberados por essas enzimas extracelulares são então absorvidos através da membrana plasmática das células por proteínas de membrana de transporte ativo .
Os carboidratos são geralmente absorvidos pelas células após terem sido digeridos os açúcares . A principal via de degradação dos oses dentro da célula é a glicólise , que produz algumas moléculas de ATP e duas moléculas de piruvato por molécula de glicose degradada. O piruvato é um metabólito comum a várias vias metabólicas , mas a maior parte dele é convertido em acetil-CoA para alimentar o ciclo de Krebs . Este último ainda produz algumas moléculas de ATP, mas seu produto essencial é o NADH , resultante da redução do NAD + durante a oxidação da acetil-CoA . Essa oxidação libera dióxido de carbono como subproduto. Em condições anaeróbicas , a glicólise produz lactato por transferência de elétrons de NADH para piruvato pela lactato desidrogenase , a fim de regenerar NAD + para glicólise. Uma via alternativa para a degradação da glicose é a rota da pentose fosfato , que tem como função primária não liberar energia, mas sim produzir precursores de várias biossínteses como o NADPH , utilizado em particular para a biossíntese de ácidos graxos. , Além da ribose -5-fosfato , usado para a síntese de nucleotídeos , e eritrose-4-fosfato , um precursor de aminoácidos aromáticos .
Os lipídios são degradados por hidrólise em glicerol e ácidos graxos . O glicerol é degradado pela glicólise, enquanto os ácidos graxos são degradados pela β-oxidação para produzir acetil-CoA , que por sua vez é degradado pelo ciclo de Krebs . A oxidação dos ácidos graxos libera mais energia do que os carboidratos porque estes contêm mais oxigênio e, portanto, são mais oxidados do que os ácidos graxos.
Os aminoácidos são usados para produzir proteínas e uma variedade de outras biomoléculas ou oxidados em uréia e dióxido de carbono para liberar energia. Sua oxidação começa com sua conversão em α-cetoácido por uma transaminase que cliva seu grupo amina , o último alimentando o ciclo da ureia . Vários desses α-cetoácidos são intermediários no ciclo de Krebs: a desaminação do glutamato, portanto, dá α-cetoglutarato . Os aminoácidos gliconeogênicos também podem ser convertidos em glicose por meio da gliconeogênese .
Durante a fosforilação oxidativa - que deveria ser chamada mais corretamente em francês de oxidação fosforiladora - os elétrons de alto potencial, resultantes das reações de oxidação do metabolismo, são transferidos para o oxigênio com liberação de energia, sendo esta energia recuperada para a síntese de ATP . Isso é conseguido pelo eucariótico por meio de uma série de proteínas de membrana da mitocôndria que formam a cadeia respiratória . Em procariotos , essas proteínas são encontradas na membrana interna . Essas proteínas de membrana usam a energia liberada pela circulação de elétrons de coenzimas reduzidas, como NADH e FADH 2ao oxigênio para bombear prótons através da membrana mitocondrial interna (em eucariotos) ou da membrana plasmática (em procariotos).
Bombear prótons para fora da matriz mitocondrial ou citoplasma gera um gradiente na concentração de prótons através das membranas - ou seja, uma diferença no pH . Isso resulta em um gradiente eletroquímico . Esta " força motriz do próton " ativa uma enzima chamada ATP sintase, que funciona como uma turbina que catalisa a fosforilação do ADP em ATP à medida que os prótons voltam para a matriz mitocondrial através da membrana mitocondrial interna.
O chimiolithotrophie (en) é um grupo nutricional primário que define procariontes que derivam sua energia de compostos inorgânicos . Esses organismos podem usar hidrogênio , compostos de enxofre reduzidos - sulfeto S 2– , sulfeto de hidrogênio H 2 S, tiossulfato S 2 O 3 2−- ferro ferroso (Fe 2+ ) e amônia (NH 3) como doadores de elétrons que eles transferem para aceitadores como o oxigênio O 2ou o ânion nitrito (NO 2 -) Esses processos microbianos são importantes do ponto de vista dos ciclos biogeoquímicos planetários, como o ciclo do nitrogênio , nitrificação e desnitrificação , e são essenciais para a fertilidade do solo.
A energia da luz é absorvida pelas plantas , as cianobactérias , as bactérias roxas , as bactérias verdes sulfurosas e alguns protistas . Este processo é frequentemente associado à conversão de dióxido de carbono em compostos orgânicos como parte da fotossíntese . Esses dois processos - absorção de energia luminosa e biossíntese de compostos orgânicos - podem, no entanto, funcionar separadamente em procariotos . Assim, as bactérias roxas e as bactérias sulfurosas verdes podem usar a luz solar como fonte de energia e, ao mesmo tempo, realizar um processo de fixação de carbono ou um processo de fermentação de compostos orgânicos.
Em muitas organizações, a absorção da energia solar baseia-se em princípios semelhantes às da fosforilação oxidativa desde um fenómeno físico - recuperar a energia de electrões de Coenzima reduzida - é acoplado a um fenómeno químico - a fosforilao de ADP para ATP - por quimiosmose pela significa um gradiente de concentração de prótons, gerando um gradiente eletroquímico através de uma membrana . No caso da fotossíntese , os elétrons de alto potencial vêm de proteínas que absorvem energia luminosa chamadas centros de reação fotossintética ou rodopsinas . Os centros de reação vêm em dois fotossistemas, dependendo do pigmento fotossintético presente: a maioria das bactérias fotossintéticas tem apenas um, enquanto as plantas e as cianobactérias têm dois.
Em plantas, algas e cianobactérias, o fotossistema II transfere energia luminosa para dois elétrons de uma molécula de água que são captados pelo complexo do citocromo b 6 f enquanto o oxigênio O 2é libertado. A energia dos elétrons de alto potencial transferida para o complexo do citocromo b 6 f é usada para bombear prótons através das membranas dos tilacóides nos cloroplastos , prótons cujo retorno ao lúmen é acompanhado pela fosforilação do ADP em ATP por uma ATP sintase , como no caso da fosforilação oxidativa . Os elétrons então passam pelo fotossistema I e podem reduzir uma coenzima NADP + a NADPH para uso pelo ciclo de Calvin , ou então ser usados para produzir ainda mais ATP.
O anabolismo inclui todas as vias metabólicas que utilizam a energia ( ATP ) e o poder redutor ( NADH ) produzido pelo catabolismo para a síntese dos complexos de biomoléculas . De modo geral, as moléculas complexas que contribuem para as estruturas celulares são construídas passo a passo a partir de precursores muito menores e mais simples.
O anabolismo consiste em três fases principais:
Os organismos diferem no número de constituintes de suas células que são capazes de produzir por conta própria. Os autotróficos , como as plantas, podem sintetizar moléculas orgânicas complexas de suas células, como polissacarídeos e proteínas, a partir de moléculas simples como o dióxido de carbono CO 2e água H 2 S. Em contraste, para produzir suas biomoléculas complexas, os heterótrofos precisam de nutrientes mais complexos, como açúcares e aminoácidos. Os organismos podem ser classificados de acordo com sua fonte de energia primária: fotoautotróficos e foto- heterotróficos obtêm sua energia da luz solar, enquanto os quimioautotróficos e quimioheterotróficos obtêm sua energia de reações redox .
A fotossíntese é a biossíntese de carboidratos a partir da água e do dióxido de carbono usando a luz solar. Em plantas , algas e cianobactérias , a molécula de água H 2 Oé dividido em oxigênio O 2e a energia de alto potencial dos elétrons é usada para fosforilar o ADP em ATP e para formar o NADPH usado para reduzir o dióxido de carbono 3-fosfoglicerato , ele próprio um precursor da glicose . Essa reação de ligação de carbono é realizada pela Rubisco , uma enzima essencial do ciclo de Calvin . Existem três tipos diferentes de fotossíntese nas plantas: a fixação de carbono em C 3 , o sequestro de carbono em C 4 e o metabolismo ácido crassuláceo (CAM). Esses tipos de reações diferem na rota do dióxido de carbono para entrar no ciclo de Calvin: as plantas C 3 fixam-no diretamente, enquanto as plantas C 4 e as CAM fotossintéticas fixam o CO 2. anteriormente em outro composto como adaptação a altas temperaturas e condições áridas.
Em procariotos fotossintéticos, os mecanismos de ligação de carbono são mais diversos. Este processo pode ser realizado pelo ciclo de Calvin, mas também por um ciclo reverso de Krebs ou por carboxilação de acetil-CoA . Organismos quimioautotróficos procarióticos também fixam carbono de CO 2usando o ciclo de Calvin, mas com energia da oxidação de compostos inorgânicos .
Durante o anabolismo dos carboidratos , o ácido orgânico simples pode ser convertido em monossacarídeos , como a glicose , podendo ser polimerizados em polissacarídeos como o amido . A biossíntese de glicose a partir de compostos como piruvato , lactato , glicerol , 3-fosfoglicerato e aminoácidos é chamada de gliconeogênese . A glicogênese converte o piruvato em glicose-6-fosfato por meio de uma série de metabólitos , muitos dos quais também são intermediários na glicólise . No entanto, essa via metabólica não deve ser vista como a glicólise feita ao contrário, uma vez que muitas de suas etapas são catalisadas por outras enzimas que não a glicólise. Esse ponto é importante porque permite regular a biossíntese e a degradação da glicose de forma distinta e, portanto, evitar que esses dois processos funcionem ao mesmo tempo, um destruindo o outro em pura perda.
Embora os organismos comumente armazenem energia na forma de lipídios , vertebrados como os humanos não podem converter ácidos graxos em suas gorduras em glicose por meio da gliconeogênese porque não podem converter acetil-CoA em piruvato: as plantas têm o equipamento enzimático necessário para fazer isso, mas os animais não . Como resultado, os vertebrados em jejum prolongado usam seus lipídios para produzir corpos cetônicos destinados a compensar a falta de glicose nas células que são incapazes de quebrar os ácidos graxos para obter energia, especialmente as células cerebrais . Outros organismos, tais como plantas e bactérias , acordo com este stress metabólico com a ajuda do ciclo do glioxilato , que contorna a descarboxilação passo do ciclo de Krebs e permite a transformação de acetil-CoA em oxaloacetato , que pode então ser utilizado para a glicose produzem .
Os polissacarídeos e glucanos são produzidos pela adição sequencial de monossacarídeos pela glicosiltransferase de um ose-fosfato doador como a uridina difosfato de glicose (UDP-glicose) em um grupo hidroxila aceitador do processo de polissacarídeo de biossíntese. Uma vez que cada um dos grupos hidroxila do substrato pode ser um aceitador, os polissacarídeos podem ser lineares ou ramificados. Os polissacarídeos produzidos podem ter um papel estrutural ou metabólico em si mesmos, ou mesmo serem transferidos para lipídeos ou proteínas por enzimas chamadas oligossacariltransferases .
Os ácidos graxos são sintetizados pela ácido graxo sintase (FAS), um conjunto de enzimas que catalisam as unidades de condensação de Claisen malonil-CoA sobre um primer de acetil-CoA . As cadeias de acila são alongadas por uma sequência de quatro reações que se reproduzem em um loop na ocasião de cada condensação de uma nova unidade malonil-CoA . Em animais e fungos (fungos), essas reações são realizadas por um complexo enzimático multifuncional denominado FAS I , enquanto em plantas e bactérias essas reações são catalisadas por um conjunto de enzimas separadas denominado FAS II , cada uma das quais monofuncional.
Os terpenos e terpenóides são uma grande família de lipídios que incluem os carotenóides e formam a principal classe de produtos vegetais naturais. Estes compostos resultam da montagem e modificação de unidades de isopreno derivadas de precursores reativos, tais como isopentenil-pirofosfato e dimetilalil-pirofosfato . Esses precursores podem ser produzidos de diferentes maneiras. Em animais e arquéias , a via do mevalonato os sintetiza a partir do acetil-CoA, enquanto em plantas e bactérias a via do fosfato de metileritritol , também chamada de via não mevalônica pelo anglicismo, os produz a partir do piruvato e do 3-fosfoglicerato . Esses doadores de unidades de isopreno são usados em particular na biossíntese de esteróides , em primeiro lugar para formar esqualeno , que é então dobrado para revelar os ciclos constituintes do lanosterol . Este esterol pode então ser convertido em outros esteróides, como colesterol e ergosterol .
Os organismos têm capacidades amplamente variáveis para sintetizar os 22 aminoácidos proteinogênicos . A maioria das bactérias e plantas podem produzir tudo o que precisam, mas os mamíferos só podem sintetizar eles próprios doze aminoácidos, chamados de não essenciais , o que significa que sua dieta deve fornecer-lhes mais nove: histidina , isoleucina , leucina , lisina , metionina , fenilalanina , treonina , triptofano e valina - não usam pirrolisina , específica para arquéias metanogênicas .
Alguns organismos simples, como a bactéria Mycoplasma pneumoniae , são incapazes de sintetizar qualquer aminoácido e retirá-los todos de seu hospedeiro . Todos os aminoácidos são sintetizados a partir de intermediários da glicólise , do ciclo de Krebs e da via da pentose fosfato . O nitrogênio vem do glutamato e da glutamina . A síntese de aminoácidos depende da formação do α-cetoácido apropriado, que é então transaminado para formar o aminoácido.
Os aminoácidos são montados em proteínas formando ligações peptídicas entre eles, resultando em cadeias polipeptídicas lineares . Cada proteína possui uma sequência determinada em resíduos de aminoácidos : esta é sua estrutura primária . Os aminoácidos podem se reunir em um número virtualmente ilimitado de combinações diferentes, cada combinação correspondendo a uma proteína específica. As proteínas são montadas a partir de aminoácidos que são ativados previamente em uma molécula de RNA de transferência (tRNA) por uma ligação éster . Este precursor, denominado aminoacil-tRNA, é formado sob a ação de enzimas específicas, as aminoacil-tRNA sintetases . Este aminoacil-tRNA pode então ser processado por um ribossomo , cuja função é ligar os aminoácidos seguindo a sequência indicada pelo RNA mensageiro transcrito dos genes .
Os nucleotídeos são produzidos de aminoácidos a dióxido de carbono e formato por meio de vias metabólicas que consomem muita energia. Esta é a razão pela qual a maioria dos organismos possui sistemas eficientes para recuperar os nucleotídeos já existentes. As purinas são produzidas na forma de nucleosídeos , ou seja, de uma nucleobase ligada à ribose . A adenina e a guanina são derivadas tanto do monofosfato de inosina (IMP), produzido a partir do carbono derivado da glicina , da glutamina , o aspartato e o formato transferidos para o tetrahidrofolato . As pirimidinas , por sua vez, são produzidas a partir do orotato , ele próprio derivado da glutamina e do aspartato.
Todos os organismos estão constantemente expostos a espécies químicas que não podem utilizar como nutrientes e que podem ser perigosas se se acumularem nas células, não proporcionando nenhum benefício metabólico. Esses compostos são chamados de xenobióticos . O corpo pode desintoxicar alguns deles, como drogas , venenos e antibióticos, com a ajuda de grupos específicos de enzimas . Em humanos , tais enzimas incluem citocromos P450 , glucuronosiltransferases e glutationa S- transferases . Esta enzima é o sistema de três passos para a primeira oxidar o xenobióticos (fase I) e, em seguida, conjugado de grupos solúveis no composto (Fase II) e, finalmente, para bombear para fora das células para ser opcionalmente posteriormente metabolizado em organismos multicelulares antes de ser finalmente excretadas (fase III) . Essas reações são particularmente importantes do ponto de vista ecológico porque estão envolvidas na degradação microbiana de poluentes e na biorremediação de solos contaminados e derramamentos de óleo . Muitas reações metabólicas microbianas também estão presentes em organismos multicelulares, mas, dada a extrema diversidade de organismos unicelulares , estes são capazes de processar um número muito maior de xenobióticos do que os multicelulares e podem degradar até mesmo poluentes persistentes, como compostos organoclorados .
Organismos aeróbios enfrentam estresse oxidativo . Na verdade, a fosforilação oxidativa e a formação de ligações dissulfeto essenciais para o enovelamento de muitas proteínas produzem derivados reativos de oxigênio , como o peróxido de hidrogênio . Esses oxidantes perigosos são processados por antioxidantes como a glutationa e enzimas como catalases e peroxidases .
Como os seres vivos estão sujeitos a constantes mudanças em seu ambiente , seu metabolismo deve ser continuamente adaptado para manter suas constantes fisiológicas - como temperatura e concentração intracelular de diferentes espécies químicas - dentro de uma faixa de valores normais, que é chamada de homeostase . A regulação do metabolismo também permite que os seres vivos respondam a estímulos e interajam com seu ambiente. Dois mecanismos relacionados são particularmente importantes para a compreensão dos modos de controle do metabolismo celular: por um lado, a regulação de uma enzima é a modulação da cinética da reação desta enzima, ou seja, o aumento ou diminuição da redução de sua atividade em resposta a vários sinais químicos e, por outro lado, o controle exercido por uma enzima é o efeito de suas variações de atividade sobre a atividade geral de uma via metabólica , representada pelo fluxo de metabólitos que fazem essa rota. Na verdade, uma enzima pode ser altamente regulada e, portanto, apresentar variações significativas na atividade, embora não tenha impacto no fluxo geral de metabólitos por meio de uma via na qual ela intervém, de modo que tal enzima não controle essa via metabólica.
Existem vários níveis de regulação do metabolismo. A regulação intrínseca é a autorregulação de uma via metabólica em resposta a mudanças na concentração de substratos ou produtos. Assim, a redução da concentração do produto de uma via metabólica pode aumentar o fluxo de metabólitos por essa via para compensar o esgotamento desse composto na célula. Este tipo de regulação é freqüentemente baseado na regulação alostérica de várias enzimas na via metabólica. O controle extrínseco está relacionado às células de organismos multicelulares que encontram os outros sinais celulares . Esses sinais geralmente assumem a forma de "mensageiros solúveis em água", como hormônios e fatores de crescimento , que são detectados por receptores de membrana específicos na superfície das células. Esses sinais são transmitidos dentro da célula por um mecanismo de transdução de sinal envolvendo mensageiros secundários que freqüentemente atuam por meio da fosforilação de certas proteínas .
Um exemplo muito bem conhecido de controle extrínseco é a regulação do metabolismo da glicose pela insulina . A insulina é produzida em resposta ao aumento do açúcar no sangue , ou seja, o nível de glicose no sangue . A ligação desse hormônio aos seus receptores celulares ativa uma cascata de proteínas quinases que fazem com que as células captem glicose e a convertam em moléculas de armazenamento, como ácidos graxos e glicogênio . O metabolismo do glicogênio é controlado pela atividade da glicogênio fosforilase , que decompõe o glicogênio, e da glicogênio sintase , que o produz. Essas enzimas são reguladas simetricamente, com a fosforilação ativando a glicogênio fosforilase, mas inibindo a glicogênio sintase. A insulina promove a produção de glicogênio por meio da ativação de fosfatases que reativam a glicogênio sintase e desativam a glicogênio fosforilase por meio da redução de sua fosforilação.
As principais vias metabólicas mencionadas acima, como a glicólise e o ciclo de Krebs , estão presentes em organismos pertencentes a três áreas da vida: bactérias , eucariotos e arquéias . É possível que todos os três possam ser rastreados até um último ancestral comum universal , presumivelmente procariótico e possivelmente metanogênico com metabolismo completo de aminoácidos , nucleotídeos , carboidratos e lipídios ; as chlorobactéries poderiam ser os organismos ainda vivos mais antigos. A conservação evolutiva dessas antigas vias metabólicas pode ser devido ao fato de que elas surgiram como soluções ótimas para problemas metabólicos particulares, com a glicólise e o ciclo de Krebs produzindo seus metabólitos com eficiência e em um mínimo de tempo. ' É possível que as primeiras vias metabólicas baseadas em enzimas estivessem relacionadas às purinas , enquanto as vias pré-existentes teriam surgido em um mundo de RNA baseado em ribozimas .
Muitos modelos foram propostos para descrever os mecanismos pelos quais novas vias metabólicas aparecem. Isso envolve a adição sequencial de novas enzimas a vias mais curtas, a duplicação ou divergência de vias pré-existentes ou a integração de enzimas pré-existentes em novas vias metabólicas. A importância relativa desses diferentes mecanismos permanece obscura, mas a genômica mostrou que enzimas da mesma via metabólica têm uma boa chance de compartilhar um ancestral comum, o que tenderia a mostrar que muitas vias evoluíram gradualmente pelo aparecimento de novas funcionalidades de pré- etapas existentes na via metabólica em questão. Outro modelo de estudos sobre a evolução de estruturas de proteínas envolvidas em redes de vias metabólicas sugeriu que as enzimas são amplamente integradas nelas para desempenhar funções semelhantes em diferentes vias metabólicas, o que é claramente evidente no banco de dados MANET . Esses processos de integração ocorrem de acordo com um padrão de mosaico. Uma terceira possibilidade é a presença de certos segmentos de vias metabólicas que podem ser usados de forma modular para revelar outras vias metabólicas e desempenhar funções semelhantes em diferentes moléculas.
Além do surgimento de novas vias metabólicas, a evolução também pode causar o desaparecimento de certas funções bioquímicas. É o caso, por exemplo, de certos parasitas , que tendem a absorver as biomoléculas de seu hospedeiro e a perder a capacidade de sintetizá-las. Uma redução semelhante na capacidade metabólica é observada em organismos endossimbióticos .
O metabolismo está sujeito aos princípios da termodinâmica , que regem a troca de calor e trabalho . A segunda lei da termodinâmica afirma que, em qualquer sistema fechado , a entropia (ou seja, a desordem) tende a aumentar. Embora a extrema complexidade dos seres vivos pareça contradizer esse princípio, a vida, entretanto, só é possível porque todos os organismos são sistemas abertos , que trocam matéria e energia com seu ambiente . Portanto, os seres vivos não estão em equilíbrio, mas são sistemas dissipativos que mantêm seu alto grau de complexidade pelo maior aumento da entropia de seu ambiente. O metabolismo celular é alcançado pelo acoplamento dos processos espontâneos de catabolismo com processos não espontâneos de anabolismo : do ponto de vista termodinâmico, o metabolismo mantém a ordem criando desordem.
O metabolismo de quebrar grandes moléculas em pequenas moléculas, o que permite a liberação de energia, é chamado de catabolismo . A energia é armazenada durante a fosforilação do ADP (difosfato de adenosina) em ATP (trifosfato de adenosina). Essa energia será utilizada para garantir as diversas funções da célula.
Três modos principais de produção de energia:
No entanto, existem várias vias metabólicas, conforme evidenciado por esta imagem:
Em animais fúngicos, bacterianos, vegetais ou de sangue quente ou frio, vários processos fazem com que a temperatura interna e externa e o metabolismo interajam, com ciclos de feedback mais ou menos complexos, variando de acordo com as espécies, indivíduos, sua forma e forma. massa corporal e origens.
Plantas e leveduras parecem ter um termostato biológico simples; No caranguejo Arabidopsis thaliana , uma única proteína ( histona H2A.Z) desempenha esse papel para variações de temperatura inferiores a 1 ° C. Essa proteína modifica o enrolamento do DNA em si mesma e, portanto, controla o acesso ao DNA de certas moléculas, inibindo ou ativando várias dezenas de genes. Esse efeito do “biotermostato” parece frequente na natureza, pois também é detectado em organismos tão diferentes como o fermento e um crucífero comum.
A compreensão desses mecanismos também deve ajudar a compreender melhor certos efeitos (nos genes) das mudanças climáticas .
A metabonomia mede a pegada da perturbação bioquímica causada por doenças, drogas ou produtos tóxicos. Introduzido nos anos 1980 , esta disciplina começou a desempenhar um papel importante na pesquisa e desenvolvimento na indústria farmacêutica no XXI th século. Complementar à genômica e à proteômica , permite, por exemplo, caracterizar modelos animais de diversas patologias para a identificação de novos alvos farmacológicos . A particularidade da metabonomia é a análise simultânea de um número muito grande de metabólitos , ou seja, de pequenas moléculas intermediárias nas vias metabólicas , em meios biológicos como a urina ou o plasma . Ferramentas de triagem metabólica (exploração ampla e sistemática), como ressonância magnética nuclear ou espectrometria de massa, são utilizadas para identificar marcadores de toxicidade (ou série de marcadores, correspondentes a perfis metabólicos), com o objetivo de identificar candidatos a fármacos no início do ciclo de desenvolvimento que apresentarão efeitos adversos. Idealmente, os biomarcadores identificados na fase pré-clínica serão não invasivos e utilizáveis na fase clínica para acompanhar o início, a progressão e a cura de uma patologia. Para identificar novos metabólitos marcadores de toxicidade, também é necessário conhecer as chamadas variações "normais" do pool metabólico (efeito do ritmo circadiano , estresse , dieta , perda de peso , etc.). Assim, é possível descobrir os distúrbios metabólicos específicos da patologia estudada.
Metaforicamente e por extensão, às vezes falamos de metabolismo urbano (um tema desenvolvido em particular na França por Sabine Barles ), metabolismo industrial ou social ou social para descrever as entradas (recursos naturais, energia, terra, humanos ...) e saídas ( resíduos, mais ou menos degradáveis e / ou reciclados) que caracterizam esses sistemas .
Nicholson JK, Lindon JC, Holmes E. 'Metabonomia': compreensão das respostas metabólicas de sistemas vivos a estímulos fisiopatológicos via análise estatística multivariada de dados espectroscópicos de RMN biológicos. Xenobiotica 1999; 29: 1181-9.