Macromoléculas e Metabolismo: Água, Proteínas e Enzimas

Água

Água — é uma molécula polar, eletricamente neutra, com dipolo elétrico. Possui forças de atração entre moléculas adjacentes e pode sofrer ionização: H₂O ⇌ OH^- + H⁺. A estrutura das macromoléculas depende da afinidade com a água, podendo ser:

• Hidrofílica — afinidade com água (polar);
• Hidrofóbica — aversão à água (apolar);
• Anfipática — apresenta grupos polares e apolares (parte polar e parte apolar).

Pontes de hidrogênio: envolvem um átomo eletronegativo, um átomo de hidrogênio ligado ao eletronegativo e outro átomo eletronegativo que aceita a ligação. A escala de pH mede a concentração do íon H⁺. Eletronegatividade é a força de atração que um elemento exerce sobre elétrons. pH básico (sequestra H⁺) > 7; neutro = 7; ácido (libera H⁺) < 7. pH do sangue: 7,35–7,45. Quanto maior a quantidade de prótons, menor o pH; quanto menor a quantidade de prótons, maior o pH.

Aminoácidos

Aminoácidos — moléculas orgânicas que apresentam um grupamento amino e um grupamento ácido carboxílico. Estrutura geral: cadeia central com grupos funcional e cadeia lateral (R).

• Aminoácidos essenciais: não podem ser sintetizados pelo organismo e devem ser obtidos pela alimentação.
• Aminoácidos não essenciais: podem ser sintetizados pelo organismo.

Identificação e códigos

Todo aminoácido possui um código de três letras e outro de uma letra. Exemplos: Glicina — Gly/G; Alanina — Ala/A; Ácido aspártico — Asp/D.

Classificação

Os aminoácidos são classificados conforme as propriedades físico‑químicas da cadeia lateral (R):

• Aminoácidos apolares — ex.: alanina (R = CH₃);
• Aminoácidos aromáticos — ex.: fenilalanina (Phe/F);
• Aminoácidos polares não carregados — ex.: serina (Ser/S) (R = CH₂–OH);
• Aminoácidos polares carregados positivamente — ex.: lisina (Lys/K) (R = (CH₂)₄–NH₃⁺));
• Aminoácidos polares carregados negativamente — ex.: ácido aspártico (Asp/D) (R = CH₂–COO^-).

Proteínas

Proteínas — macromoléculas formadas por muitos aminoácidos unidos por ligações peptídicas. A ligação peptídica ocorre entre o grupo carboxílico de um aminoácido e o grupo amino de outro, com liberação de uma molécula de água (reação de síntese por desidratação).

Estruturas das proteínas

• Estrutura primária — sequência linear de aminoácidos na proteína.
• Estrutura secundária — organização local da cadeia (hélice α, folha β), estabilizada por pontes de hidrogênio entre grupos carbonila e amida de aminoácidos diferentes.
• Estrutura terciária — dobramento tridimensional da cadeia, estabilizado por interações entre cadeias laterais (pontes de hidrogênio, interações iônicas, interações hidrofóbicas e pontes dissulfeto).
• Estrutura quaternária — associação de duas ou mais cadeias polipeptídicas (subunidades) em um complexo funcional.

Quais ligações estabilizam as estruturas secundária e terciária? A secundária é estabilizada principalmente por pontes de hidrogênio; a terciária por interações entre as cadeias laterais (R) dos aminoácidos, incluindo pontes de hidrogênio, ligações iônicas, interações hidrofóbicas e ligações covalentes como pontes dissulfeto.

Tipos de proteínas

Proteínas globulares: cadeias polipeptídicas que se dobram em forma esférica; em geral, são solúveis em água e têm funções dinâmicas (enzimas, anticorpos, muitos hormônios, proteínas transportadoras como albumina sérica e hemoglobina).
Proteínas fibrosas: geralmente insolúveis em água e estruturalmente resistentes; formam fibras ou lâminas longas (ex.: colágeno — tendões e osso; queratina — cabelo, pele, unhas; elastina — tecido conjuntivo elástico).

Glicólise e Fermentação

A glicólise ocorre no citoplasma e pode ser dividida em duas fases:

• Estágio 1 — investimento de energia (reações 1 a 5): a hexose (glicose) é fosforilada e clivada, gerando duas moléculas de triose (gliceraldeído‑3‑fosfato). Consome 2 ATP.
• Estágio 2 — recuperação de energia (reações 6 a 10): as duas trioses são convertidas em piruvato, com geração de 4 ATP.

Saldo energético final da glicólise: 2 ATP (considerando investimento e recuperação). A oxidação completa da glicose via fosforilação oxidativa rende geralmente 30 ou 32 ATP, dependendo do sistema de transporte de elétrons (lanchadeira).

Produto final da glicólise: piruvato. Destinos do piruvato: em condições aeróbicas é descarboxilado a acetil‑CoA e entra no ciclo de Krebs; em condições anaeróbicas pode ser metabolizado por fermentação alcoólica ou láctica.

Fermentações

A fermentação tem a função de reoxidar o NADH produzindo NAD⁺ no citoplasma, permitindo a continuidade da glicólise sob ausência de oxigênio. Tipos e produtos finais:

• Fermentação alcoólica — etanol + CO₂. Ex.: leveduras;
• Fermentação lática — lactato. Ex.: músculos em condições anaeróbicas.

Metabolismo

Metabolismo — conjunto de reações e processos químicos que ocorrem em células ou organismos. Divide‑se em:

• Catabolismo: vias de degradação de biomoléculas para obtenção de energia (vias convergentes);
• Anabolismo: vias de síntese de biomoléculas a partir de precursores mais simples (vias divergentes).

Adenosina trifosfato (ATP) é a moeda universal de energia, utilizada em transporte ativo, síntese e secreção de substâncias, locomoção e divisão celular, entre outros processos.

Enzimas

Enzimas — maioritariamente proteínas que catalisam reações, aumentando a velocidade sem serem consumidas. São altamente específicas e reguladoras das vias metabólicas. Nem toda enzima é proteína: existem ribozimas (RNA catalítico) com atividade enzimática.

Cofatores e coenzimas

• Cofatores: pequenas moléculas orgânicas ou inorgânicas necessárias para a função enzimática. Enzima + cofator = holoenzima.
• Coenzimas: cofatores orgânicos, frequentemente derivados de vitaminas, que atuam junto às enzimas.
• Apoenzima: parte proteica da enzima sem cofator; holoenzima: enzima completa com cofator/coenzima; substrato: molécula sobre a qual a enzima atua.

Mecanismo e fatores que influenciam

Encaixe induzido: a ligação do substrato induz mudança conformacional na enzima, moldando o centro ativo para um encaixe ótimo com o substrato.

Fatores que influenciam a velocidade das reações enzimáticas:

• Temperatura: em geral, maior temperatura aumenta a velocidade até o ponto de desnaturação;
• pH: a catálise é sensível ao pH, pois grupos catalíticos são ionizáveis e ativos em estados específicos de ionização;
• Concentração da enzima: a velocidade inicial é diretamente proporcional à concentração da enzima disponível;
• Concentração do substrato: afeta a velocidade até que a enzima esteja saturada.

Km e velocidade máxima

Km é a concentração de substrato à qual a velocidade da reação é metade da V_max. Km fornece uma medida da afinidade da enzima pelo substrato: quanto maior a Km, maior a concentração de substrato necessária para alcançar metade da V_max e menor a afinidade.

Inibição enzimática

Inibidor: qualquer substância que reduz a velocidade de uma reação enzimática.

• Inibição irreversível: envolve modificação covalente permanente do grupo funcional necessário à catálise, inativando a enzima;
• Inibição reversível: interação não covalente entre inibidor e enzima; após dissociação, a enzima recupera a atividade.

Tipos de inibidores reversíveis:

• Competitivo: liga‑se ao sítio ativo, competindo com o substrato; aumenta Km e não altera V_max (quando a concentração de substrato é suficientemente alta pode superar o inibidor);
• Não competitivo: liga‑se a sítios diferentes do ativo, tanto à enzima livre quanto ao complexo ES; não altera Km, mas reduz V_max.

Regulação enzimática

Regulação alostérica: enzimas possuem sítios alostéricos onde moduladores se ligam de forma não covalente, podendo ser positivos (ativam) ou negativos (inibem) a enzima. Um regulador alostérico positivo aumenta a afinidade pelo substrato e eleva a velocidade; um regulador negativo reduz a afinidade e diminui a velocidade.

Regulação covalente: modificação covalente da enzima (por exemplo, fosforilação/desfosforilação) que converte entre formas ativas e inativas.

Fosforilação e desfosforilação

Fosfatases realizam a reação inversa das quinases: removem grupamentos fosfato (desfosforilação). Quinases (ou cinases) transferem grupos fosfato de moléculas doadoras de alta energia (como ATP) para substratos específicos (processo denominado fosforilação).