Metabolismo: Produção de ATP e Vias Metabólicas

Metabolismo

Química do ATP: Mecanismos de Produção

Adenosina Trifosfato (ATP): nucleotídeo trifosfatado com alto valor energético.

• A hidrólise do terceiro fosfato fornece aproximadamente 8 kcal/mol, energia que permite o funcionamento de reações endoergônicas (que consomem energia para ocorrer) e sustenta a atividade do organismo.
• A hidrólise do segundo fosfato libera aproximadamente 5,5 kcal/mol. Em algumas reações que necessitam de mais energia, esta é liberada convertendo ATP em Adenosina Monofosfato (AMP).

Síntese do ATP

A síntese do ATP ocorre pela fosforilação do ADP (Adenosina Difosfato) às custas de fosfato inorgânico (Pi), necessitando de um potencial elétrico de, no mínimo, 0,18 eV.

*Toda vez que uma reação de oxirredução, participante da via de degradação de um alimento, liberar no mínimo o potencial de 0,18 eV (potencial redox), haverá produção de ATP.

Organismos Aeróbicos

Organismos aeróbicos realizam muito mais reações de oxirredução devido à presença de oxigênio nos tecidos, especialmente pela participação da cadeia respiratória na mitocôndria.

Cadeia Respiratória

A cadeia respiratória é uma série de reações de oxirredução que se iniciam às custas de hidrogênio (H₂) retirado de substratos intermediários das rotas metabólicas. As rotas degradam alimentos, passando por diversos componentes que, com isso, se oxidam e se reduzem constantemente. No final do processo, o H₂ é captado pelo oxigênio da respiração, formando água (H₂O) que o organismo libera.

*Ao longo da cadeia, em três passagens específicas, liberam-se potenciais redox suficientes (equivalentes a 0,18 eV ou mais), tradicionalmente contabilizando-se a produção total de aproximadamente 3 ATPs por NADH oxidado (ou 2 ATPs por FADH₂).

Inibidores da Cadeia Respiratória

São substâncias que bloqueiam um determinado componente da cadeia respiratória no seu estado reduzido, impedindo a continuidade do processo. Com isso, reduzem a produção de energia (ATP) e o consumo de oxigênio (O₂), podendo levar à depressão do centro respiratório.

Exemplos:

• Barbitúricos e Rotenona: bloqueiam o complexo I (inibindo a oxidação do NADH).
• Cianeto e Monóxido de Carbono (CO): bloqueiam o complexo IV (Citocromo a₃, parte da citocromo c oxidase) no estado reduzido.

Metabolismo dos Carboidratos

Após a digestão dos carboidratos da dieta (ex: amido, lactose, sacarose), as oses livres (glicose, frutose, galactose) são absorvidas pela membrana intestinal e levadas ao fígado. No fígado, a galactose e a frutose são majoritariamente convertidas em glicose ou seus intermediários metabólicos.

Conforme a concentração sanguínea da glicose, haverá distribuição desse açúcar a todo o organismo, a fim de manter a glicemia (nível de glicose no sangue). Alternativamente, a glicose pode ser armazenada na forma de glicogênio no tecido hepático e muscular. O glicogênio hepático serve para suprimento de glicose durante o jejum (aproximadamente 12 a 18 horas).

Penetrando nas células, as oses são degradadas através da glicólise, em condições aeróbicas ou anaeróbicas, produzindo ATPs que o organismo utiliza conforme a necessidade de energia para sua atividade.

Glicólise: Degradação da Glicose

A glicólise é a via metabólica que degrada a glicose na célula para produzir ATP e suprir a energia necessária para a atividade do organismo.

Glicólise Aeróbica:

• Fornece piruvato para o Ciclo de Krebs.
• Requer a participação subsequente da cadeia respiratória para o rendimento máximo de ATP.
• Produz um alto rendimento energético quando acoplada ao Ciclo de Krebs e à fosforilação oxidativa, resultando em cerca de 38 ATPs (aproximadamente 304 kcal por mol de glicose, segundo a contabilidade do texto original).

Glicólise Anaeróbica:

• Libera lactato (em animais, na fermentação lática) ou etanol (em algumas fermentações alcoólicas).
• Oferece um rendimento de 2 ATPs (saldo líquido) por molécula de glicose (aproximadamente 16 kcal por mol).

Detalhes da Via Glicolítica em Condições Aeróbicas (segundo o texto original):

• Produz piruvato e um ganho líquido de 8 ATPs por mol de glicose (considerando 2 ATPs diretos e 2 NADH que gerarão ~6 ATPs na cadeia respiratória).
• A partir do piruvato na mitocôndria, obtêm-se 30 ATPs (2 piruvatos, resultando em 15 ATPs cada um).
• Desses 15 ATPs por piruvato: 12 ATPs são gerados em cada volta do Ciclo de Krebs.
• Os outros 3 ATPs (por piruvato) são formados às custas da enzima piruvato desidrogenase, que converte piruvato em Acetil-CoA e tem o NAD⁺ como coenzima (produzindo NADH).
• O rendimento energético total é de aproximadamente 304 kcal (ganho líquido em termos de energia, correspondente a 38 ATPs x 8 kcal/ATP).

Glicogênese: Síntese de Glicogênio

É a síntese do glicogênio. Ocorre principalmente no fígado e no músculo, para armazenamento de glicose nesses tecidos.

Principais enzimas envolvidas:

• Glicogênio sintase: Polimeriza as moléculas de glicose por ligações glicosídicas α-1,4, formando uma cadeia linear.
• Enzima ramificadora (amilo α-1,4 → α-1,6 transglicosidase): Remove pequenos fragmentos da cadeia principal, refazendo sua ligação por pontes α-1,6 no mesmo local ou em outra cadeia, dando início às ramificações.

Glicogenólise: Degradação do Glicogênio

É a degradação do glicogênio.

• No fígado, ocorre durante o jejum, suprindo o organismo de glicose por aproximadamente 12 a 18 horas.
• No músculo, ocorre durante o exercício intenso, para fornecer glicose para a atividade do próprio tecido (o músculo não libera glicose na corrente sanguínea, pois não possui a enzima glicose-6-fosfatase).

Principais enzimas envolvidas:

• Glicogênio fosforilase: Rompe as ligações glicosídicas α-1,4, iniciando dos extremos não redutores das ramificações em direção ao centro da cadeia, liberando moléculas de glicose na forma de glicose-1-fosfato (G1P).
• Enzima desramificadora (com atividades α-1,6-glicosidase e oligo-α-1,4→α-1,4-glucanotransferase): Atua rompendo as ligações α-1,6 nos pontos de ramificação e transferindo resíduos de glicose.

Gliconeogênese: Síntese de Nova Glicose

É a síntese de glicose a partir de compostos não carboidráticos (não glicídicos). Ocorre principalmente no fígado (e em menor grau nos rins) durante o jejum prolongado, quando as reservas de glicogênio hepático se esgotam.

Os principais precursores gliconeogênicos são:

• Lactato: Obtido, por exemplo, pela glicólise anaeróbica nos glóbulos vermelhos (eritrócitos) e músculos em exercício (Ciclo de Cori).
• Glicerol: Liberado pela hidrólise dos triacilgliceróis do tecido adiposo.
• Aminoácidos glicogênicos: Obtidos pela degradação das proteínas (todos exceto leucina e lisina).

*A via gliconeogênica é, em grande parte, o inverso da via glicolítica, mas contorna as três reações irreversíveis da glicólise utilizando enzimas específicas.

*O lactato é transportado para o fígado onde, através da gliconeogênese (revertendo a via glicolítica com enzimas específicas), é convertido em glicose para redistribuição ao organismo.

Metabolismo de Lipídios: Ácidos Graxos e Glicerol

Destino dos Ácidos Graxos e do Glicerol

Em uma dieta rica em carboidratos e energia, o excesso de nutrientes pode ser convertido em ácidos graxos (AGs). Estes se recombinam com o glicerol, sendo armazenados nos tecidos (principalmente adiposo) como triacilgliceróis (gorduras de reserva).

Durante o jejum prolongado ou exercício físico intenso, os triacilgliceróis são hidrolisados pela lipase hormônio-sensível (ativada por hormônios como adrenalina e glucagon), liberando AGs e glicerol na corrente sanguínea.

• Os AGs são transportados para as células (ex: musculares, hepáticas) e degradados na mitocôndria pela β-oxidação, produzindo Acetil-CoA (que entra no Ciclo de Krebs) e, consequentemente, grande quantidade de energia (ATP).
• O glicerol é transportado para o fígado, onde pode ser convertido em di-hidroxiacetona fosfato (um intermediário da glicólise) e, por gliconeogênese, originar glicose para manter a glicemia.

Em uma dieta pobre em carboidratos, o destino dos AGs e do glicerol ingeridos (ou mobilizados das reservas) será similar ao observado durante o jejum prolongado: oxidação para energia e conversão de glicerol em glicose.

β-Oxidação (Beta-Oxidação)

É a via de degradação mitocondrial dos ácidos graxos, que remove sequencialmente unidades de dois carbonos na forma de Acetil-CoA. O Acetil-CoA produzido entra no Ciclo de Krebs para gerar ATP. Cada ciclo de β-oxidação também produz NADH e FADH₂, que são oxidados na cadeia respiratória para gerar mais ATP.

Cálculo Energético da β-Oxidação (Conforme Contabilidade do Texto Original):

Para um ácido graxo saturado com número par de carbonos (nº de C):

• Número de moléculas de Acetil-CoA produzidas = nº de C / 2
• ATP gerado no Ciclo de Krebs = (Número de Acetil-CoA) x 12 ATPs
• Número de ciclos (voltas) na β-oxidação = (nº de C / 2) – 1
• ATP da cadeia respiratória (a partir do NADH e FADH₂ gerados nas voltas da β-oxidação) = (Número de voltas) x 5 ATPs
• ATP TOTAL produzido = (ATP do Ciclo de Krebs) + (ATP da cadeia respiratória pelas voltas da β-oxidação)
• BALANÇO ENERGÉTICO LÍQUIDO = ATP total produzido – 1 ATP (gasto na ativação inicial do ácido graxo, segundo o texto original).
• Rendimento calórico = Balanço energético líquido x 8 kcal/ATP

Metabolismo das Proteínas

1. Digestão e Absorção de Proteínas

A hidrólise das proteínas inicia-se no estômago com a ação da enzima pepsina (secretada como pepsinogênio e ativada pelo pH ácido), que quebra as cadeias peptídicas em fragmentos menores (peptídeos).

No intestino delgado, enzimas do suco pancreático (secretadas como zimogênios e ativadas no intestino, como tripsina, quimotripsina, carboxipeptidases A e B, elastase) continuam a digestão, reduzindo os peptídeos a dipeptídeos, tripeptídeos e aminoácidos livres. As peptidases (aminopeptidases e dipeptidases) presentes na borda em escova das células intestinais hidrolisam os peptídeos menores, liberando os aminoácidos.

Os aminoácidos são absorvidos pelas células da mucosa intestinal através de transportadores específicos e transportados via veia porta para o fígado. De lá, distribuem-se pelo organismo para os diversos tecidos. A concentração normal de aminoácidos no sangue varia de 4 a 8 mg por 100 mL.

Funções dos Aminoácidos:

• Síntese de proteínas: Sua principal função nos tecidos, para construção e reparo celular, enzimas, hormônios, anticorpos, etc.
• Fonte de Nitrogênio para a síntese de outros compostos nitrogenados não proteicos (ex: bases nitrogenadas de nucleotídeos, grupo heme, creatina, neurotransmissores).
• Precursores de aminas biologicamente importantes (ex: histamina a partir da histidina, serotonina a partir do triptofano, catecolaminas a partir da tirosina/fenilalanina).
• Auxiliam na manutenção do pH de líquidos biológicos (devido às suas propriedades anfotéricas, atuando como tampões).
• Podem servir como fonte de energia: Em jejum prolongado ou quando a ingestão calórica é insuficiente, seus esqueletos carbônicos podem ser oxidados para produzir ATP, ou convertidos em glicose (aminoácidos glicogênicos) ou corpos cetônicos (aminoácidos cetogênicos).

Aminoácidos Essenciais

São aqueles que o organismo humano não consegue sintetizar ou o faz em quantidade insuficiente para atender às necessidades metabólicas, devendo, por isso, ser obtidos através da dieta.

• Durante o crescimento, são tradicionalmente considerados 10 aminoácidos essenciais: arginina*, histidina*, leucina, isoleucina, lisina, metionina, fenilalanina, triptofano, valina e treonina. (*Arginina e histidina são frequentemente classificadas como semi-essenciais ou condicionalmente essenciais, pois sua síntese pode não ser suficiente em certas condições fisiológicas ou patológicas, como crescimento rápido, trauma ou doença).
• Na fase adulta saudável, geralmente são considerados 8 aminoácidos estritamente essenciais: os mesmos citados acima, exceto arginina e histidina, que podem ser sintetizadas em quantidades adequadas (conforme o texto original).

Balanço Nitrogenado

O balanço nitrogenado compara a quantidade de nitrogênio ingerido (principalmente de proteínas) com a quantidade de nitrogênio excretado (principalmente na ureia, mas também em outras formas como ácido úrico e creatinina).

• Balanço nitrogenado positivo: Ocorre quando a ingestão de nitrogênio é maior que a excreção. Indica que o corpo está retendo nitrogênio para síntese de tecidos. Característico de períodos de crescimento (infância, adolescência), gravidez, lactação, e recuperação de doenças debilitantes ou traumas.
• Equilíbrio nitrogenado: Ocorre na fase adulta saudável com uma dieta equilibrada e adequada em proteínas e energia, onde a ingestão e a excreção de nitrogênio se equivalem.
• Balanço nitrogenado negativo: Ocorre quando a excreção de nitrogênio supera a ingestão. Indica que o corpo está perdendo mais proteína do que sintetizando. Característico da velhice, estados febris prolongados, desnutrição proteica, dietas inadequadas, traumas graves, queimaduras extensas e doenças catabólicas.

Reações Gerais dos Aminoácidos

Desaminação

É a remoção do grupo amino (-NH₂) de um aminoácido, frequentemente na forma de amônia (NH₃) ou íon amônio (NH₄⁺). O α-cetoácido resultante pode ser oxidado para produzir energia (ex: entrando no Ciclo de Krebs), convertido em glicose (gliconeogênese) ou em corpos cetônicos.

Exemplos: A alanina, após desaminação (frequentemente via transaminação seguida de desaminação do glutamato), origina piruvato; o aspartato, por transaminação, produz oxaloacetato.

Descarboxilação

É a remoção do grupo carboxila (-COOH) de um aminoácido, na forma de dióxido de carbono (CO₂). Esta reação converte um aminoácido em uma amina correspondente, muitas das quais têm importantes funções biológicas.

Exemplos: A histidina é descarboxilada para formar histamina (mediador de respostas alérgicas e inflamatórias, neurotransmissor); a di-hidroxifenilalanina (DOPA) é descarboxilada para formar dopamina (neurotransmissor, precursor da noradrenalina e adrenalina). (O texto original menciona"diidroxifenilamin", que é a dopamina).

Transaminação

É a transferência reversível do grupo α-amino de um aminoácido para o carbono α de um α-cetoácido, catalisada por enzimas chamadas transaminases (ou aminotransferases), que requerem piridoxal fosfato (derivado da vitamina B6) como coenzima. O aceptor mais comum do grupo amino é o α-cetoglutarato.

O α-cetoglutarato, ao receber o grupo amino, converte-se no aminoácido glutamato. O aminoácido original, ao perder seu grupo amino, torna-se um α-cetoácido. O glutamato pode então sofrer desaminação oxidativa no fígado (catalisada pela glutamato desidrogenase), liberando amônia (NH₃ ou NH₄⁺) para a síntese da ureia, e regenerando o α-cetoglutarato.

O α-cetoglutarato regenerado pode captar novamente o grupo amino de outro aminoácido em excesso. O α-cetoácido resultante do aminoácido original (excedente) é então metabolizado (ex: degradado no Ciclo de Krebs para energia, ou usado para síntese de glicose ou lipídios).

Produtos de Excreção Nitrogenada

A forma como os animais excretam o excesso de nitrogênio (principalmente da degradação de aminoácidos e ácidos nucleicos) varia conforme o habitat, a disponibilidade de água e a fisiologia:

• Animais amoniotélicos (ex: a maioria dos peixes ósseos aquáticos e larvas de anfíbios): Vivem em íntimo contato com a água e eliminam o nitrogênio diretamente como amônia (NH₃). A amônia é altamente tóxica, mas muito solúvel em água, difundindo-se e diluindo-se rapidamente no ambiente aquático, minimizando sua toxicidade. Sua excreção requer pouca energia metabólica.
• Animais uricotélicos (ex: aves, répteis terrestres, insetos, gastrópodes terrestres): Excretam nitrogênio na forma de ácido úrico. O ácido úrico é pouco solúvel em água, precipitando-se como um sólido ou semi-sólido, e pode ser excretado com mínima perda de água. Esta é uma adaptação importante para a conservação de água em ambientes terrestres áridos ou para o desenvolvimento embrionário em ovos com casca (onde o acúmulo de resíduos nitrogenados tóxicos e solúveis seria problemático). A síntese de ácido úrico é metabolicamente mais custosa que a de ureia.
• Animais ureotélicos (ex: mamíferos, anfíbios adultos, tubarões e alguns peixes ósseos): Excretam nitrogênio primariamente como ureia. A ureia é sintetizada no fígado a partir da amônia (via ciclo da ureia), é solúvel em água e consideravelmente menos tóxica que a amônia. É transportada pelo sangue até os rins e excretada na urina. Esta forma de excreção representa um compromisso entre a toxicidade da amônia e o custo energético e hídrico da excreção de ácido úrico. Em mamíferos, a ureia pode ser eliminada pelo feto através da placenta e do sistema excretor materno.