AS CÉLULAS E A ENERGIA

maio 22, 2010 às 7:19 pm | Publicado em Uncategorized | Deixe um comentário

MAXIMILIANO MENDES

PARTE 1 – AS CÉLULAS E A ENERGIA


Para se manter viva, uma célula requer energia a fim de realizar trabalho, que pode ser exemplificado pela execução das suas funções mais essenciais, como a síntese das moléculas e componentes biológicos.

  • Energia pode ser definida como a capacidade de gerar mudança ou realizar trabalho, e também como a capacidade para rearranjar uma porção de matéria.
    • Trabalho: movimentação de matéria contra forças opositoras (gravidade, atrito e etc.).

Também é necessário que essa energia possa ser transformada. Por exemplo, uma das conseqüências do processo fotossintético é a conversão da energia luminosa em energia química armazenada nos compostos orgânicos. A energia armazenada nesses compostos, dos quais nós nos alimentamos, pode, posteriormente, ser convertida em calor, como aquele sentido em uma cadeira onde alguém ficou sentado por muito tempo.

O trabalho pode ser exemplificado de diversas formas, desde o movimento celular de uma célula fagocítica do sistema imunitário emitindo pseudópodes para capturar um microrganismo patogênico, até a síntese de biomoléculas como as proteínas, responsáveis por executar a maioria das funções celulares, mais notadamente funcionando como enzimas, catalisando as reações biológicas de forma que possam ocorrer numa velocidade adequada para sustentar a vida. A figura 1 exemplifica algumas formas de trabalho de acordo com o potencial.

  • Potencial: capacidade de realizar trabalho em relação aos fatores que facilitam ou dificultam a realização deste trabalho.

Figura 1. Algumas formas de trabalho. 1: o trabalho mecânico é exemplificado pela água que desce de uma posição elevada e move um moinho. 2: trabalho elétrico de acordo com a voltagem. 3: trabalho químico, de acordo com a quantidade de energia livre disponível (energia livre para realizar trabalho). Modificada a partir de KOOLMAN e ROEHM (2005).

Em todo o tempo, dentro das células, ocorrem milhares de processos como os citados, movidos pela energia proveniente de nutrientes, “combustíveis”, como a glicose: uma molécula rica em energia química (ou energia potencial química).

Neste caso, dizer que a glicose é rica em energia significa duas coisas: que ela pode armazenar energia potencial e que essa energia pode ser liberada durante sua oxidação a CO2 no processo de respiração celular.

  • Energia potencial: é aquela que a matéria possui devido à sua localização ou estrutura. Exemplos:
    • Quanto mais distante do centro da Terra um objeto ou porção de matéria estiver localizado, maior sua energia potencial mecânica, graças à força de atração gravitacional. Observe na figura 1 que a água desce da cachoeira de forma espontânea e de acordo com um gradiente de potencial indicado pela altura.
    • A glicose, uma molécula complexa, armazena energia potencial química graças à sua estrutura, a forma como os seus átomos estão arranjados. Em decorrência disso, essa energia química pode ser liberada ou transferida em uma reação química (figura 3C).

Compostos como os ácidos graxos, constituídos de muito mais átomos de carbono que a glicose, podem gerar ainda mais energia, sendo, portanto, mais ricos em energia. De forma análoga, as moléculas de combustível no motor de um carro liberam energia na medida em que são oxidadas, e essa energia é utilizada para movimentar o veículo.

De qualquer forma, esses processos envolvem uma série de reações químicas dentro das células, e ao conjunto bastante interligado dessas reações dá-se o nome metabolismo. As reações metabólicas podem ser divididas em dois grupos, sendo que em ambos ocorre rearranjo de átomos (rearranjo de uma porção de matéria):

  • Catabolismo: reações que transformam “combustíveis” em moléculas simples e energia, como aquela armazenada nas moléculas de ATP (trifosfato de adenosina), tema a ser tratado posteriormente. Combustíveis são moléculas complexas como os carboidratos e lipídios. Essas moléculas são convertidas em CO2 e água (moléculas simples, de baixa energia).
    • Moléculas complexas (carboidratos, lipídios…) –> CO2 + H2O + Energia útil
  • Anabolismo: reações que requerem energia, como as de síntese das moléculas biológicas, a partir de precursores menos complexos.
    • Energia útil + Moléculas simples –> Moléculas complexas (ricas em energia)

A energia gerada graças aos processos catabólicos pode ser empregada nos processos anabólicos, o que envolve a síntese de compostos ricos em energia a partir de compostos pobres em energia.

Antes de prosseguirmos é necessário fazer uma analogia. Imagine uma bola na parte superior de um morro (figura 2). Sabemos que ela desce morro abaixo devido a diferença de energia potencial entre a base e o topo do morro. Ao atingir a base, sabemos que ela não retorna ao topo de forma espontânea, mas que podemos contornar este problema ao acoplar à bola um sistema de polias e um peso associado, que a puxará de novo para cima.

Figura 2. Observe como é possível arrastar uma bola de volta ao topo de um morro, caso acoplemos a ela um sistema de polias com um peso associado.

Voltando ao tema, para que um determinado conjunto de reações metabólicas (caminho metabólico) ocorra, é necessário que este conjunto de reações seja, como um todo, termodinamicamente favorável (ou espontâneo), ou seja: a energia é liberada para o meio e os produtos têm menos energia que os reagentes.

Uma reação ou conjunto de reações somente será espontâneo se a variação da chamada energia livre de Gibbs (energia livre para realizar trabalho) for negativa (ΔG < 0), indicando que o sistema libera energia para o meio. A energia livre de Gibbs também pode ser definida como uma medida da instabilidade do sistema que se está lidando, sua tendência em mudar para um estado mais estável. Alguns exemplos estão ilustrados na figura 3 (na página seguinte).

Todavia, sabemos que dentro das células ocorrem várias reações que não são espontâneas, como isso ocorre? Observe o conjunto de reações abaixo envolvendo os produtos e reagentes A, B, C e D:

1) A –> B + C ΔG°’ = + 21 kJ/mol
2) B –> D ΔG°’ = – 34 kJ/mol
1+2) A –> C + D ΔG°’ = – 13 kJ/mol

ΔG°’ significa o valor da variação da energia livre de Gibbs em condições padrão (1 mol para cada reagente e produto, 25° C e pH 7,0).

Podemos ver que nessas condições, a primeira reação não é espontânea (ΔG°’ > 0). Todavia, caso ela seja acoplada à segunda reação, que é termodinamicamente favorável (ΔG°’ < 0), percebemos que o conjunto das reações tem ΔG°’ < 0, sendo assim favorável. Em outras palavras, uma reação desfavorável pode ser “impulsionada” por outra, favorável, acoplada a ela. No exemplo, a substância B, comum a ambas as reações é o acoplador (assim como o sistema de polias da figura 2), e as enzimas podem atuar como as máquinas responsáveis por executar essas reações de forma combinada.

Figura 3. Relação entre energia livre, estabilidade de um sistema, capacidade para realizar trabalho e mudança espontânea. Na parte superior temos os sistemas instáveis, ricos em energia livre. Esses sistemas tendem a mudar espontaneamente para estados mais estáveis, representados na parte inferior. É possível realizar trabalho durante essa mudança. Modificada a partir de CAMPBELL & REECE (2005).

Podemos imaginar o metabolismo celular, com suas reações favoráveis e desfavoráveis, como um comércio: para que as reações desfavoráveis ocorram é necessário pagar, e as células podem fazer isso utilizando uma substância acopladora, análoga à “B” ou ao sistema de polias nos exemplos: é o ATP (trifosfato de adenosina).

PARTE 2 – O MODO DE AÇÃO DO ATP

Para que uma célula execute suas funções mais essenciais, é necessário que ocorra uma série de reações químicas dentro dela (sendo o conjunto interligado dessas reações chamado metabolismo). Por exemplo, uma célula de músculo cardíaco pode realizar trabalho ao se contrair graças ao fato de que pode efetuar uma série de reações químicas para tal.

Sabemos que dentro das células ocorrem várias reações que não são espontâneas, portanto, necessitam de energia. Sendo assim, para que ocorram, a variação da energia livre de Gibbs (energia livre para realizar trabalho) deve ser negativa (ΔG < 0), indicando que o sistema libera energia para o meio. Como isso ocorre? Observe o conjunto de reações abaixo envolvendo os produtos e reagentes A, B, C e D:

1) A –> B + C ΔG°’ = + 21 kJ/mol
2) B –> D ΔG°’ = – 34 kJ/mol
1+2) A –> C + D ΔG°’ = – 13 kJ/mol

ΔG°’ significa o valor da variação da energia livre de Gibbs em condições padrão (1 mol para cada reagente e produto, 25° C e pH 7,0).

Podemos ver que nessas condições, a primeira reação não é espontânea (ΔG°’ > 0). Todavia, caso ela seja acoplada à segunda reação, que é termodinamicamente favorável (ΔG°’ < 0), percebemos que o conjunto das reações tem ΔG°’ < 0, sendo assim favorável. Em outras palavras, uma reação desfavorável pode ser “impulsionada” por outra, favorável, acoplada a ela. No exemplo, a substância B, comum a ambas as reações é o acoplador, e as enzimas podem atuar como as máquinas responsáveis por executar essas reações de forma combinada.

É possível imaginar o metabolismo celular, com suas reações favoráveis e desfavoráveis, como um comércio: para que as reações desfavoráveis ocorram é necessário pagar, e as células podem fazer isso utilizando uma substância acopladora, análoga à B do exemplo, o ATP (trifosfato de adenosina), um nucleotídeo (figura 4).

A principal conseqüência do processo de respiração celular é a produção dessa moeda, que irá atuar como um doador de energia livre (energia livre para realizar trabalho), quando libera um de seus grupos fosfato na forma de fosfato inorgânico (Pi):

ATP + H2O –> ADP + Pi + Energia!

Figura 4. Estrutura do ATP. Observe as quatro cargas negativas nos resíduos de fosfato α, β e γ. Modificada a partir de KOOLMAN e ROEHM (2005).

Podemos definir potencial como a capacidade de realizar trabalho em relação aos fatores que facilitam ou dificultam a realização deste trabalho. É possível perceber, observando a estrutura do ATP, que os três grupos fosfato apresentam forte repulsão eletrostática entre si devido ao excesso de cargas negativas (4 em pH 7,0), sendo este um dos principais fatores que conferem ao ATP um alto potencial de transferência de fosforilas: a capacidade de liberar um de seus grupos fosfato. Após a hidrólise, a repulsão eletrostática entre as cargas é reduzida, sendo o potencial do ADP (difosfato de adenosina) menor que o do ATP.

Por isso o ATP é considerado rico em energia, devido ao fato de que quando uma das ligações fosfoanidrido é rompida, há grande transferência de energia livre e a energia é então utilizada para impulsionar reações não-espontâneas.

ATP + H2O –> ADP + Pi       ΔG°’ = – 7,3 kcal/mol (-30,5 kJ/mol).

Dentro da célula, o ΔG°’ é de cerca de -12 kcal/mol (-50kJ/mol), pois as concentrações de ATP, ADP e Pi são bem menores que as das condições padrão, e há um excesso de ATP em relação ao ADP.

Note que para haver a quebra de uma ligação covalente como essa, é necessária determinada quantidade de uma chamada energia de ativação: a energia mínima necessária para que uma reação química ocorra, e não deve ser confundida com a energia livre de Gibbs, que por sua vez corresponde à energia livre para realizar trabalho e aos estados inicial e final do sistema, no que diz respeito à sua estabilidade.

Perceba também que, quando estamos falando de acoplamento energético isso não significa pura e simplesmente que dentro da célula duas reações estão ocorrendo lado a lado! Se fosse assim, a hidrólise do ATP geraria apenas calor, que até pode aquecer o organismo quando necessário, como quando trememos de frio para gerar calor graças às contrações rápidas da musculatura esquelética, mas é ineficaz no que diz respeito ao direcionamento de uma reação não-espontânea. Para que o processo ocorra é necessário que haja um mecanismo acoplador ou direcionador da energia.

Vejamos uma analogia: imagine que um carro não possua motor, caso adicionemos gasolina em seu tanque de combustível e acendamos uma fagulha nela para dar a partida, o que aconteceria com o carro? A gasolina iria apenas entrar em combustão e o carro explodiria sem sair do lugar (figura 5). Todavia, sabemos que os carros andam devido ao fato de que possuem motores, capazes de acoplar e direcionar a energia resultante da combustão da gasolina ao movimento das rodas (ocorre a conversão da energia química armazenada nas moléculas de combustível, em energia mecânica, representada pelo movimento).

Figura 5. O que aconteceria com um carro caso ele não tivesse motor e acendêssemos um fósforo no tanque de gasolina para dar a partida. (É melhor não tentar repetir a experiência!).

Algo semelhante ocorre nas células, onde o motor do carro pode ser representado pelas enzimas, que podem aproveitar a energia livre disponível em uma reação preservando-a como uma mudança em sua conformação. Isto pode ser devido à transferência de um grupo fosfato do ATP para elas, processo chamado fosforilação. Essa mudança de conformação pode favorecer outra reação catalisada por esta mesma enzima, finalizando a transferência de energia no processo. A formação desse intermediário fosforilado na reação é necessária, por ele ser menos estável e, portanto, mais reativo que a enzima não fosforilada.

Para ilustrar finalmente o modo de ação do ATP, utilizaremos como exemplo a síntese do aminoácido glutamina a partir de outro, o glutamato:

1) Glutamato + NH3 –> Glutamina + H2O ΔG°’ = + 14 kJ/mol
2) ATP + H2O –> ADP + Pi ΔG°’ = – 31 kJ/mol
1+2) Glutamato + ATP + NH3 –> Glutamina + ADP + Pi ΔG°’ = – 17 kJ/mol

Assim como vimos no exemplo dos compostos A, B, C e D, em que B, por participar das duas reações era o acoplador, neste caso, e de forma geral, o ATP também funciona como um acoplador.

A seqüência de reações está ilustrada na figura 6 abaixo:

Figura 6. A síntese de glutamina a partir de glutamato, catalisada pela glutamina sintetase. Note a formação do intermediário acil-fosfato, menos estável e, portanto, mais reativo. Retirada de STRYER, L. et al., (2002).

A figura 7 apresenta um modelo ilustrando o mecanismo pelo qual se dá o processo:

Figura 7. Modelo representando a síntese de glutamina catalisada pela glutamina sintetase (em amarelo). Perceba o papel do ATP no processo de fosforilação e ativação da enzima, e a mudança de conformação que ela sofre (no modelo, aumentando de tamanho), armazenando energia livre para realizar trabalho.

Para finalizar, voltando ao exemplo dos produtos e reagentes A, B, C e D, é importante ressaltar que no interior da célula, eles também podem ser interpretados como:

  • Conformações (formas) ativa e inativa de uma proteína, por exemplo: A – inativa e C – ativa. Isto é possível, pois a fosforilação pode convertê-la em uma das duas formas. A conformação fosforilada, por sua vez, pode armazenar energia livre para realizar trabalho, como vimos no caso da glutamina sintetase. Assim é que proteínas com funções motoras dentro das células, como os filamentos de miosina, envolvidos no processo de contração muscular, convertem a energia química do ATP em energia mecânica (movimento).
  • Concentrações iônicas dentro e fora da célula, como nos casos envolvendo transporte ativo de nutrientes (figura 8). Um bom exemplo é a bomba de sódio-potássio, cujo funcionamento é dependente de fosforilação pelo ATP e a conseqüente mudança de conformação e armazenamento de energia livre.

Figura 8. Mecanismo pelo qual uma proteína transportadora hipotética sofre mudanças de conformação após ser fosforilada pelo ATP, e então se torna capaz de transportar uma substância qualquer para fora da célula.

REFERÊNCIAS:


CAMPBELL, NA. & REECE, JB. Biology. 7th Ed. Benjamin Cummings. 2005.

COOPER, GM. & HAUSMAN, RE. A Célula: Uma Abordagem Molecular. 3ª Ed. Artmed. 2007.

KOOLMAN, J. & ROEHM, KH. Color Atlas of Biochemistry. 2nd Ed. Thieme. 2005.

STRYER, L. et al. Biochemistry. 5th Ed. WH Freeman and Company. 2002.

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