Biologia molecular e celular

Lipídeos e proteínas (metabolismo e catabolismo)

Lipídeos e proteínas (metabolismo e catabolismo)

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SanarFlix

11 minhá 660 dias

METABOLISMO: 

O metabolismo, a soma de todas as transformações químicas que ocorrem em um organismo, é uma atividade celular altamente coordenada, em que muitos sistemas multienzimáticos (vias metabólicas) cooperam para desempenhar suas funções básicas:

  1. Obter energia química do ambiente, por captura de energia solar ou por degradação de nutrientes;

  2. Converter moléculas de nutrientes em moléculas do próprio organismo;

  3. Polimerizar precursores monoméricos em produtos poliméricos (ex.: aminoácidos proteínas);

  4. Sintetizar e degradar biomoléculas requeridas em funções celulares especializadas.

O metabolismo pode ser dividido em estágios que refletem o grau de complexidade ou tamanho das moléculas geradas. No nível 1, temos as reações químicas de conversão de metabólitos poliméricos em seus constituintes monoméricos. No nível 2, estes monômeros são quebrados em intermediários simples. No nível 3, em organismos aeróbicos, a principal via é o ciclo de Krebs, onde os intermediários do nível 2 são degradados completamente a CO2 e H2O.

A informação necessária para especificar cada reação vem da estrutura da enzima que catalisa aquela reação.

Qualquer participante de uma reação metabólica, seja ele substrato, intermediário ou produto, é chamado de metabólito, e as moléculas que não podem ser mais utilizadas pelo organismo e, portanto, devem ser eliminadas, são denominadas catabólitos.

O metabolismo pode ainda ser dividido em duas principais categorias:

  1. Anabolismo (ou biossíntese): Processos que envolvem primariamente a síntese de moléculas orgânicas complexas a partir de precursores pequenos e simples. Esses processos necessitam de energia, geralmente na forma de potencial de transferência do ATP, e do poder redutor de transportadores de elétrons e baseiam-se na redução de moléculas (ganho de elétrons).

  2. Catabolismo: Processos relacionados a degradação de substâncias complexas com concomitante geração de energia. Parte dessa energia é conservada na forma de ATP e de transportadores de elétrons reduzidos; o restante é perdido como calor. Baseiam-se na oxidação de moléculas (Perda de elétrons).

No entanto, é importante considerar que muitos substratos das vias anabólicas são formados como intermediários nos processos catabólicos e vice-versa.

Algumas vias metabólicas são lineares e algumas são ramificadas, gerando múltiplos produtos a partir de um único precursor (divergente) ou convertendo vários precursores em um único produto (convergente). Algumas vias são cíclicas: um composto inicial da via é regenerado em uma série de rações que converte outro componente inicial em um produto.

No nosso organismo, existem moléculas que auxiliam algumas enzimas nos processos de óxido-redução e, portanto, são denominadas coenzimas. São exemplos de coenzimas, a nicotina adenina di-nucleotídeo (NAD) e a flavino-adenino dinucleotídeo (FAD), moléculas especializadas no transporte de hidrogênio. Quando estas coenzimas estão associadas ao hidrogênio, encontram-se “reduzidas” e quando perdem estes hidrogênios, são ditas “oxidadas”.

As vias de síntese e degradação de uma dada moléculas não são as mesmas. Quase sempre os dois caminhos são bastante distintos um do outro. Embora apresentem reações enzimáticas e intermediárias comuns, são vias diferentes por possuírem diferentes enzimas catalisando pelo menos parte de suas reações.

A regulação metabólica é realizada em nosso organismo, principalmente pelos seguintes mecanismos:

  • Controle dos níveis de enzimas: As concentrações das diversas enzimas intracelulares variam de modo que aquelas envolvidas nas vias centrais de produção de energia devem ser mais abundantes do que as que realizam funções limitadas na célula. Além disso, os níveis de uma mesma enzima podem variar em função das necessidades de um dado momento.

  • Controle da atividade da enzima: Pode ser controlada pela interação com um ligante ou por modificação covalente. No primeiro caso, o substrato da enzima em alta concentração tende a ativá-la, enquanto seu produto final na quantidade desejada tende a inibi-la. Já no segundo caso, normalmente, ligações covalentes estão associadas com regulações em cascata, ou seja, a modificação ativa uma enzima, a qual ativa uma segunda enzima, que pode ativar uma terceira enzima, que finalmente atua sobre um substrato.

  • Controle por compartimentalização: Em geral, a via de síntese de uma molécula ocorre em um compartimento celular distinto de onde ocorre sua via de degradação.

  • Regulação hormonal: Hormônios são mensageiros químicos que, por sinalização celular, induzem mudanças no comportamento da célula. Estas mudanças são efetivadas por mecanismos regulatórios, tais como: mudanças na atividade ou na concentração de uma enzima e mudanças na permeabilidade da membrana para um substrato em particular.

CATABOLISMO DE AMINOÁCIDOS E PROTEÍNAS:

Apesar das proteínas corporais representarem uma proporção significativa de reservas potenciais de energia, elas costumam ser utilizadas na produção de energia apenas em situações de jejum prolongado, quando os carboidratos já não estão disponíveis como combustível. Além da sua função como importante fonte de carbono para o metabolismo oxidativo e a produção de energia, as proteínas da dieta têm de fornecer quantidades adequadas dos aminoácidos que não podemos sintetizar para sustentar a síntese normal de novas proteínas.

A fim da proteína da dieta contribuir tanto para o metabolismo energético quanto para o pool (conjunto) de aminoácidos essenciais, a proteína precisa ser digerida em aminoácidos livres ou pequenos peptídeos e absorvida no intestino. A digestão da proteína começa no estômago, por ação da pepsina, em pH baixo promovido pela secreção de ácido clorídrico no suco gástrico, que é secretado por ação do hormônio gastrina. Em seguida, continua no intestino delgado com a inserção de secreções pancreáticas. O pâncreas libera bicarbonato de sódio para neutralizar o conteúdo gástrico, aumentando o pH para aproximadamente 7. Além disso, são secretadas enzimas pancreáticas como a tripsina, a quimotripsina e as carboxipeptidades em suas formas inativas (zimogênios), que são ativadas no intestino. Com o auxílio de algumas enzimas proteolíticas localizadas na borda em escova das células do intestino delgado, o processo de quebra das proteínas em aminoácidos é completado. Depois que todos os di- ou tripeptídeos remanescentes são degradados nos enterócitos, os aminoácidos livres são transportados pela veia porta ao fígado para o metabolismo energético, ou distribuídos para outros tecidos.

SAIBA MAIS: A pancreatite aguda é caracterizada como uma doença inflamatória decorrente da ativação anormal das enzimas pancreáticas e liberação de uma série de mediadores inflamatórios, atingindo, além do pâncreas, os tecidos peripancreáticos, podendo inclusive afetar outros órgãos. Desse modo, os zimogênios são convertidos para sua forma ativa ainda nas células pancreáticas, causando a própria destruição da glândula. Isso causa dores intensas e lesão ao órgão, o que pode ser fatal. É considerada a doença pancreática mais comum em crianças e adultos, e pode se manifestar com duas apresentações clínicas: leve (intersticial) – as manifestações cursam com mínima repercussão sistêmica, obtendo melhora com a reposição de líquidos e eletrólitos – ou grave (necrosante) – além das complicações locais, há falência de órgãos e sistemas distantes.

As proteínas, como os demais compostos constituintes de um organismo, não são permanentes, estando em contínua degradação e síntese. Estima-se que, em um ser humano adulto com uma dieta adequada, haja uma renovação (turnover) de aproximadamente 400g de proteínas por dia. A manutenção da concentração de uma determinada proteína é obtida pela síntese desta proteína em uma velocidade equivalente a de sua degradação e, embora existam variações de concentrações em tempos muitos curtos, em geral, a concentração proteica mantém-se constante no indivíduo adulto e hígido.

Uma consequência importante do turnover proteico é restar sempre uma certa quantidade de aminoácidos não utilizados, porque o conjunto de aminoácidos gerados da degradação de proteínas nunca é igual ao conjunto de aminoácidos necessários para compor as proteínas a serem sintetizadas. Sabendo que não há meio de armazenar aminoácidos em nosso organismo, satisfeitas as necessidades de síntese, os excedentes são degradados e seu nitrogênio excretado. O conjunto de aminoácidos é utilizado para a síntese de proteínas e de outras moléculas nitrogenadas (os aminoácidos são precursores de todos os compostos nitrogenados não proteicos).

Podemos concluir, então, que os aminoácidos sofrem o processo oxidativo em três diferentes circunstâncias metabólicas:

  • Durante a síntese e degradação normal de proteínas, alguns aminoácidos obtidos pela degradação são utilizados para a síntese de novas proteínas;

  • Quando a dieta é rica em proteínas e a ingestão excede as necessidades do corpo, tal excesso é degradado, visto que os aminoácidos não podem ser estocados;

  • Durante o jejum ou em doenças como a diabetes melito, quando os carboidratos já não estão mais disponíveis ou não podem ser utilizados, as proteínas celulares são utilizadas como combustível.

Em todas essas condições metabólicas, os aminoácidos perdem seus grupamentos amino para formar α-cetoácidos, os “esqueletos de carbono” dos aminoácidos. Os α-cetoácidos sofrem oxidação a CO2 e H2O ou, geralmente mais importante, fornecem unidades de 3 e 4 carbonos que podem ser convertidas em glicose.

De um modo geral, as vias de degradação convergem para vias metabólicas centrais. No caso do metabolismo dos aminoácidos, todos eles contêm um grupamento amino, logo, seu processo de degradação inclui uma etapa chave, na qual o grupamento amino é separado do esqueleto de carbonos e desviado para vias específicas de utilização de aminoácidos. A cadeia de carbonos é utilizada em rotas metabólicas de gliconeogênese e lipogênese, enquanto a parte nitrogenada dos aminoácidos, na forma de amônia, é processada em uma vida denomina “ciclo da ureia”.

SE LIGA! Quando os aminoácidos são metabolizados, o excesso de nitrogênio resultante deve ser excretado. Uma vez que a forma primária na qual o nitrogênio é removido dos aminoácidos é a amônia e, por ser a amônia livre muito tóxica, os seres humanos convertem a amônia em ureia, que é neutra, menos tóxica, muito solúvel e excretada na urina. Os animais que excretam ureia são denominados ureotélicos. Em média, entre os indivíduos, 80% do nitrogênio excretado estão na forma de ureia e quantidade menores são secretadas na forma de ácido úrico, creatinina e íon amônio. 

Catabolismo de aminoácidos

A degradação dos aminoácidos compreende a remoção e a excreção do grupo amino e a oxidação da cadeia carbônica remanescente (α-cetoácido).

  1. Remoção do grupo amino

O primeiro passo no catabolismo da maioria dos aminoácidos (12 deles) é a transferência de seus grupos amino para o α-cetoglutarato, formando glutamato.

Aminoácido + α-cetoglutarato ↔︎ α-cetoácido + glutamato

Estas reações são catalisadas por aminotransferases, também chamadas transaminases, enzimas presentes no citosol e na mitocôndria e que têm como coenzima piridoxal-fosfato (derivada da vitamina B6). Este grupo prostético apresenta-se covalentemente ligado ao grupo amino de um resíduo específico de lisina no sítio ativo da enzima. As aminotransferases dos tecidos de mamíferos aceitam diferentes aminoácidos como substratos doadores de grupo, mas seu nome deriva do aminoácido pelo qual a enzima tem mais afinidade. Dois exemplos importantes são: aspartato aminotransferase (1) e alanina aminotransferase (2).

  1. Aspartato + α-cetoglutarato ↔︎ Oxaloacetato + Glutamato

  2. Alanina + α-cetoglutarato ↔︎ Piruvato + Glutamato

O efeito das reações de transaminação é coletar grupos amino de diferentes aminoácidos, na forma de L-glutamato. O glutamato então funciona como doador de grupos amino para vias biossintéticas ou para vias de excreção, que levam a eliminação de produtos nitrogenados.

O glutamato formado é consumido em duas reações importantes: uma nova transaminação e uma desaminação. Por ação da aspartato aminotransferase, o grupo amino do glutamato é transferido para o oxaloacetato, formando aspartato, o segundo depósito do grupo amino dos aminoácidos

Glutamato + Oxaloacetato ↔︎ Aspartato + α-cetoglutarato

SE LIGA! A aspartato aminotransferase é a transaminase mais ativa na maioria dos tecidos de mamíferos, evidenciando a importância dessa reação, e é uma exceção a regra de que as aminotransferases funilam os grupos amino para formar glutamato. Já a alanina-aminotransferase, também muito importante, está presente em muitos tecidos e catalisa as transferências do grupo amino da alanina para o α-cetoglutarato, resultando na formação de piruvato e glutamato. Desse modo, o glutamato atua efetivamente como coletor de nitrogênio da alanina. 

Por outro lado, o glutamato pode ser desaminado, ou seja, o grupo amino pode ser liberado como amônia (íon NH4+), em pH fisiológico. Esta reação é catalisada pelo glutamato desidrogenase, uma enzima mitocondrial, encontrada principalmente no fígado. É a única enzima que utiliza NAD+ ou NADP+ como aceptor de equivalentes reduzidos.

Glutamato + NADP+ + H2O ↔︎ α-cetoglutarato + NADPH + H+ + NH4+

A glutamato desidrogenase é específica para o glutamato, não se conhecem desidrogenases análogas para qualquer outro aminoácido.

A ação combinada das aminotransferases e da glutamato desidrogenase resulta na convergência do grupo amino, na maioria dos aminoácidos, para dois compostos únicos: NH4+ e aspartato.

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