Fundamentos de Bioquimica

Fundamentos de Bioquimica

(Parte 1 de 2)

14

Capítulo 1

A Lógica Molecular da Vida

Os organismos vivos são compostos de moléculas destituídas de vida. Quando estas moléculas são isoladas e examinadas individualmente, elas obedecem a todas as leis físicas e químicas que descrevem o comportamento da matéria inanimada. Não obstante, os organismos vivos possuem atributos extraordinários que não são exibidos por uma coleção de moléculas escolhidas ao acaso. Neste capítulo, consideraremos primeiro as propriedades dos organismos vivos que os distinguem de outras porções da matéria. Depois de chegarmos a uma definição geral da vida, poderemos descrever um conjunto de princípios que caracterizam todos os organismos vivos. Estes princípios estão na base da estruturação dos organismos e das células que os constituem, e eles proporcionam a estrutura básica para este livro. Eles ajudarão você a ter em mente o grande quadro da vida, enquanto explora os exemplos ilustrativos apresentados no texto.

A unidade química dos diferentes organismos vivos

O que distingue os organismos vivos dos objetos inanimados? Primeiro é seu grau de complexidade química e de organização. Eles possuem estruturas celulares internas intrincadas (Fig. 1-1a) e contêm muitas espécies de moléculas complexas. Em contraste, a matéria inanimada existente em nosso meio (terra, areia, rochas, água do mar) usualmente consiste de misturas de compostos químicos relativamente simples.

Segundo, os organismos vivos extraem, transformam e usam a energia que encontram no meio ambiente (Fig. 1-1b), usualmente na forma de nutrientes químicos ou da energia radiante da luz solar. Esta energia torna os organismos vivos capazes de construir e manter suas próprias estruturas intrincadas e de realizar trabalho mecânico, químico, osmótico e de vários outros tipos. Em contraste, a matéria inanimada não usa a energia de forma sistemática para manter a sua estrutura ou para realizar trabalho. A matéria inanimada tende a se degenerar em um estado mais desordenado, alcançando um equilíbrio com o seu meio ambiente.

O terceiro e mais característico atributo dos organismos vivos é a capacidade para a auto-replicação e automontagem, propriedades que podem ser vistas como a quinta-essência do estado vido (Fig. 1-1c). Uma única célula bacteriana colocada num meio nutriente estéril pode dar origem a um bilhão de células filhas idênticas, no esparaço de 24 horas. Cad uma das células contém milhares de moléculas diferentes, algumas extremamente complexas; mesmo assim, cada bactéria é uma cópia fiel da original, construída inteiramente a partir da informção contida no interior do material genéticoda célula original.

Embora a capacidade de autoduplicar-se não tem nenhum análogo verdadeiro no mundo da matéria inanimada, existe uma analogia instrutiva no crescimento de cristais, que ocorre nas soluções saturadas. A cristalização produz acréscimo de material idêntico, em estrutura de rede, ao do cristal original. Os cristais são muito menos complexos do que os mais simples organismos vivos, suas estruturas são estáticas e não dinâmicas como as das células vivas. Não obstante, a capacidade dos cristais de “reproduzirem” sua própria estrutura permitiu ao físico Erwin Schrödinger propor, em seu famoso ensaio “O que é a vida?”, que o material genético das células deveria ter as propriedades de um cristal. Esse ensaio de Schrödinger é de 1944 (anos antes do atual entendimento da estrutura do gene ter sido estabelecido), mas descreve de forma acurada muitas das propriedades do ácido desoxirribonucléico, o material dos genes.

Cada componente de um organismo vivo tem uma função específica. Isto é verdade não somente para as estruturas macroscópicas, como folhas e caules ou corações e pulmões, mas também para as estruturas intracelulares microscópicas, como os núcleos e os cloroplastos. Até mesmo os compostos químicos individuais, existentes nas células, têm funções específicas. O inter-relacionamento entre os componentes químicos de um organismo vivo é dinâmico; alterações em um componente provocam mudanças coordenadas ou compensatórias em outro, tendo como resultado que o conjunto exibe características que vão além daquelas exibidas pelos constituintes individuais. A coleção de moléculas executa um programa, o resultado final do qual é a reprodução do programa e a autoperpetuação daquela coleção de moléculas, em suma, vida.

A bioquímica procura explicar a vida em termos químicos

Se os organismos vivos são compostos de moléculas intrinsecamente inanimadas, como podem essas moléculas exibirem a extraordinária combinação de caraterísticas que chamamos de vida? Como pode ser que um organismo vivo pareça ser mais do que a soma de suas partes inanimadas? Os filósofos, uma vez, responderam que os organismos vivos são dotados de uma força vital divina e misteriosa, mas esta doutrina (vitalismo) tem sido firmemente rejeitada pela ciência moderna. O objetivo básico da ciência bioquímica é mostrar como as coleções de moléculas inanimadas, que constituem os organismos vivos, interagem entre si para manter e perpetuar a vida animada, exclusivamente pelas leis químicas que governam o universo não vivo.

Organismos vivos são enormemente diferentes (Fig. 1-2). Na aparência e função, pássaros e bestas, árvores, gramas e organismos microscópicos diferem grandemente. Até o momento, pesquisas bioquímicas revelam que todos os organismos são notadamente semelhantes em níveis celular e químico. A bioquímica descreve, em termos moleculares, as estruturas, os mecanismos e os processos químicos compartilhados por todos os organismos, e fornece os princípios organizacionais que fundamentam a vida em todas suas diferentes formas, princípios que nos referiremos coletivamente como a lógica molecular da vida. Embora a bioquímica produza importantes visões do conhecimento e aplicações práticas em medicina, agricultura, nutrição e indústria ela está, em última estância, preocupada, e interessada na maravilha que a vida é em si mesma.

Embora a vida seja fundamentalmente unitária, é importante reconhecer que pouquíssimas generalizações a respeito dos organismos vivos são absolutamente corretas para todos eles e sob quaisquer condições. A variação de habitat nos quais os organismos vivem, desde fontes termais quentes até tundra ártica, de intestinos de animais a dormitórios de residências estudantis, é acompanhada por uma variação igualmente ampla de adaptações bioquímicas específicas. Essas adaptações são integradas dentro do padrão químico fundamental compartilhado por todos os organismos. Embora as generalizações não sejam perfeitas, elas permanecem úteis. De fato, as exceções geralmente iluminam as generalizações científicas.

Todas as macromoléculas são construídas a partir de poucos compostos simples

A maioria dos constituintes moleculares dos sistemas vivos é composta de átomos de carbono unidos covalentemente a outros átomos de carbono e a átomos de hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. As propriedades especiais de ligação do carbono permitem a formação de uma grande variedade de moléculas. Os compostos orgânicos de peso molecular (também chamado de massa molecular relativa Mr)1 menor que aproximadamente 500, como aminoácidos, nucleotídeos e monossacarídeos, servem como subunidades monoméricas de proteínas, ácidos nucléicos e polissacarídeos, respectivamente. Uma única molécula protéica pode ter 1.000 ou mais aminoácidos, e o ácido desoxirribonucléico tem milhões de nucleotídeos.

Cada célula da bactéria Escherichia coli (E. coli) contém mais de 6.000 diferentes tipos de compostos orgânicos, incluindo perto de 3.000 proteínas diferentes e um número similar de moléculas de ácidos nucléicos e centenas de tipos de carboidratos e lipídios. Em humanos pode haver dezenas de milhares de tipos diferentes de proteínas, assim como muitos tipos de polissacarídeos (cadeias de açúcares simples), uma grande variedade de lipídios e muitos outros compostos de peso molecular menor.

1Os termos usados para indicar o tamanho de uma molécula são frequentemente confundidos. Nós usamos peso molecular ou Mr, massa molecular relativa, uma razão adimensional da massa de uma molécula para um doze-avos (1/12) da massa do 12C. O tamanho de uma molécula pode também ser corretamente dado em termos de massa molecular (m), que tem unidades de daltons (Da) ou unidades de massa atômica (uma). Uma molécula nunca deve ser descrita como tendo um peso molecular ou Mr (uma propriedade adimensional) expresso em daltons ou unidades de massa atômica.

Purificar e caracterizar exatamente todas essas moléculas seria um trabalho insuperável se não fosse o fato de cada classe de macromoléculas (proteínas, ácidos nucléicos, polissacarídeos) ser composta de um pequeno conjunto de subunidades monoméricas comuns. Estas subunidades monoméricas podem ser unidas covalentemente em uma variedade virtualmente ilimitada de seqüências (Fig. 1-3), exatamente como as 26 letras do alfabeto inglês podem ser arranjadas em um número ilimitado de palavras, sentenças ou livros.

Os ácidos desoxirribonucléicos (DNA) são construídos de apenas quatro diferentes tipos de unidades monoméricas simples, os desoxirribonucleotídeos, e os ácidos ribonucléicos (RNA) são compostos por apenas quatro tipos de ribonucleotídeos. As proteínas são compostas de 20 tipos diferentes de aminoácidos. Os oito tipos de nucleotídeos com os quais todos os ácidos nucléicos são construídos e os 20 tipos de aminoácidos com os quais todas as proteínas são construídas são idênticos em todos os organismos vivos.

A maioria das subunidades monoméricas com as quais todas as macromoléculas são construídas exerce mais de uma função nas células vivas. Os nucleotídeos servem não apenas como subunidades para os ácidos nucléicos, mas também como moléculas transportadoras de energia. Os aminoácidos são subunidades das moléculas protéicas e também precursores de neurotransmissores, pigmentos e muitos outros tipos de biomoléculas.

Destas considerações podemos destacar alguns dos princípios da lógica molecular da vida:

1. Todos os organismos vivos constroem moléculas a partir dos mesmos tipos de subunidades monoméricas.

2. A estrutura de uma macromolécula determina sua função biológica específica.

3. Cada gênero e espécie são definidos por seu conjunto distinto de macromoléculas. A produção de energia e seu consumo no metabolismo

A energia é um tema central em bioquímica: as células e os organismos dependem de um suprimento constante de energia para poderem se opor à tendência, inexorável da natureza, de queda para níveis menores de estado energético. O armazenamento e a expressão da informação consomem energia; sem esta as estruturas ricas em informação tornar-se-iam inexoravelmente desordenadas e sem significado. As reações de síntese que ocorrem no interior das células, como os processos de síntese em uma fábrica, requerem o fornecimento de energia. A energia é consumida no movimento de uma bactéria ou em uma corrida olímpica, no acender das luzes de um vaga-lume ou na descarga de um peixe-elétrico. As células desenvolveram, durante a evolução, mecanismos altamente eficientes para capturar a energia do Sol, ou extraí-la de alimentos oxidáveis, e transferi-la para os processos que dela necessitam.

Os organismos nunca estão em equilíbrio com o seu ambiente

No curso da evolução biológica, um dos primeiros desenvolvimentos deve ter sido o aparecimento de uma membrana lipídica que envolveu as moléculas hidrossolúveis da célula primitiva, separando-as do meio ambiente e permitindo que elas se acumulassem em concentrações relativamente altas. As moléculas e os íons contidos no interior dos organismos vivos diferem em tipo e em concentração daqueles existentes no meio ambiente. Por exemplo, as células de um peixe de água-doce contêm certos íons inorgânicos em concentrações muito diferentes daquelas da água em que vivem (Fig. 1-4). Proteínas, ácidos nucléicos, açúcares e lipídios estão presentes no peixe, mas essencialmente ausentes da água, a qual, por sua vez, contém átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio em moléculas mais simples como o dióxido de carbono e a água. Quando o peixe morre, as substâncias que o compõem entram, finalmente, em equilíbrio com aquelas do meio ambiente.

A composição molecular reflete um estado estacionário dinâmico

Embora a composição química de um organismo possa ser quase constante ao longo do tempo, a população de moléculas no interior de uma célula ou organismo está longe de ser estática. As moléculas são sintetizadas e depois desmontadas por reações químicas contínuas, envolvendo um fluxo constante de massa e energia através do sistema. As moléculas de hemoglobina que, neste momento, estão carregando oxigênio de seus pulmões para o seu cérebro foram sintetizadas durante o mês passado; dentro de um mês elas serão degradadas e substituídas por novas moléculas. A glicose que você ingeriu em sua última refeição está agora circulando em sua corrente sangüínea; antes do dia terminar estas moléculas de glicose terão sido convertidas em alguma outra substância, como dióxido de carbono ou gordura, e substituídas por um suprimento novo de moléculas de glicose. A quantidade de hemoglobina e glicose no sangue permanece quase constante porque a velocidade de síntese ou a ingestão de cada uma delas equilibra-se com a velocidade de quebra, consumo ou conversão em algum outro produto (Fig. 1-5). A constância da concentração não é, entretanto, reflexo da inércia química desses compostos, mas é o resultado de um estado estacionário dinâmico.

Os organismos transformam energia e matéria do meio ambiente

As células vivas e os organismos precisam realizar trabalho para permanecerem vivos e para se reproduzirem. A síntese contínua de componentes celulares requer trabalho químico; o acúmulo e a retenção de sais e de vários compostos orgânicos contra um gradiente de concentração envolve um trabalho osmótico; a contração de um músculo ou o movimento do flagelo de uma bactéria representa trabalho mecânico. A bioquímica examina estes processos pelos quais a energia é extraída, canalizada e consumida; assim é essencial desenvolver e entender os princípios fundamentais da bioenergética – transformações ou trocas de energia das quais todos organismos vivos dependem.

Para reações que ocorrem em solução, podemos definir um sistema como todos os reagentes e produtos, o solvente e a atmosfera próxima, ou seja, tudo o que está dentro de uma região definida do espaço. Juntos, o sistema e seus arredores constituem o universo. Se o sistema não troca matéria e nem energia com seus arredores, ele é dito ser fechado. Se o sistema troca energia mas não matéria com seu meio, ele é dito sistema isolado; se troca ambos energia e matéria com o meio, ele é um sistema aberto.

Um organismo vivo é um sistema aberto, ele troca ambos matéria e energia com seu meio. Organismos vivos usam duas estratégias para captar energia do seu meio: (1) eles obtêm combustíveis químicos da vizinhança e extraem energia oxidando-os; ou (2) eles absorvem energia da luz solar.

- Organismos vivos criam e mantém suas estruturas complexas e ordenadas usando energia extraída de combustíveis ou luz solar

A primeira lei da termodinâmica foi desenvolvida a partir de conhecimentos físicos e químicos, mas é totalmente válida para os sistemas biológicos; ela descreve o princípio da conservação de energia:

- Em qualquer mudança física ou química a quantidade de energia total do universo permanece constante, embora a forma de energia possa mudar.

As células são transdutores consumados de energia. Elas são capazes de, com grande eficiência, interconverter energia química, eletromagnética, mecânica e osmótica (Fig. 1-6). Os transdutores biológicos de energia diferem da maioria das máquinas comuns que dependem de diferenças de pressão e temperatura. Uma máquina a vapor, por exemplo, converte a energia química do combustível em calor, aumentando a temperatura de uma porção de água até seu ponto de ebulição para produzir vapor d’água em alta pressão, o qual aciona um mecanismo qualquer. O motor de combustão interna, da mesma forma, depende de mudanças na temperatura e na pressão. Em contraste, todas as partes de um organismo vivo precisam operar à mesma temperatura e pressão, e o fluxo de calor não é uma fonte utilizável de energia.

- As células vivas são motores químicos que funcionam à temperatura constante.

O fluxo de elétrons fornece energia para os organismos

Praticamente todos os seres vivos tiram sua energia, direta ou indiretamente, da energia radiante da luz solar, a qual nasce de reações de fusão termonuclear que formam o elemento hélio e que ocorrem no interior do Sol (Fig. 1-7). As células fotossintéticas absorvem a energia radiante do Sol e a utilizam para retirar elétrons da molécula de água e adicioná-los à molécula de dióxido de carbono, formando produtos ricos em energia como o amido e a sacarose. Quando promovem estas reações, a maioria dos organismos fotossintéticos libera oxigênio molecular na atmosfera (Fig. 1-8). Em última análise, os organismos que não executam a fotossíntese obtêm energia para suas necessidades pela oxidação dos produtos ricos em energia elaborados pela fotossíntese, passando elétrons para o oxigênio atmosférico e sintetizando água, dióxido de carbono e outros produtos finais, os quais são reciclados no meio ambiente. Virtualmente todos os transdutores de energia nas células podem ser relacionados ao fluxo de elétrons de uma molécula para outra na oxidação de combustíveis, ou na captura de energia luminosa durante a fotossíntese. Este fluxo de elétrons é “morro-abaixo”, quer dizer, de um potencial eletroquímico maior para outro menor; como tal, ele é formalmente análogo ao fluxo de elétrons em um circuito elétrico acionado por uma bateria. Todas estas reações que envolvem fluxos de elétrons são reações de oxidação-redução. Assim, emergem outros princípios característicos do estado vivo da matéria:

- As necessidades energéticas de, virtualmente, todos os organismos são providas, direta ou indiretamente, pela energia solar.

- O fluxo de elétrons nas reações de oxidação-redução é a base da transdução e da conservação da energia nas células vivas.

- Todos os organismos vivos são dependentes uns dos outros, através da troca de matéria e energia via meio ambiente.

Acoplamento de energia liga reações em biologia

O tema central em bioenergética é o modo pelo qual energia do metabolismo de combustíveis ou da captura de luz é acoplada a reações que requerem energia. Considere o exemplo mecânico simples de acoplamento de energia mostrado na figura 1-9a. Um objeto no alto de um plano inclinado tem uma certa quantidade de energia potencial devido à sua altura. Este objeto tende a deslizar para baixo espontaneamente, perdendo a sua energia potencial de posição na medida em que se aproxima do solo. Quando um instrumento apropriado, constituído de correias e polias, é ligado ao objeto, o movimento espontâneo para baixo pode realizar uma certa quantidade de trabalho, uma quantidade nunca maior que a variação da energia potencial de posição. A quantidade de energia realmente disponível para realização de trabalho chamada de energia livre, G, será sempre um pouco menor que a variação total em energia, porque uma parte da mesma é dissipada, como calor de fricção. Quanto maior a elevação do objeto em relação à sua posição final, maior será a variação da energia quando ele desliza para baixo, e maior a quantidade de trabalho que pode ser realizado.

Reações químicas podem ser acopladas, assim que uma reação liberadora de energia dirige uma reação que requer energia. Reações químicas em sistemas fechados ocorrem espontaneamente até que o equilíbrio seja alcançado. Quando um sistema está no equilíbrio, a velocidade de formação do produto é exatamente igual à velocidade na qual o produto é convertido para reagente. Portanto não existe nenhuma variação líquida nas concentrações de reagentes e produtos e um “estado estacionário” é alcançado. A variação de energia, que ocorre enquanto o sistema se move de seu estado inicial para o equilíbrio, a pressão e temperatura constantes, é dada pela variação de energia livre, (G. A grandeza de (G depende da reação química particular e o quanto o sistema inicialmente está longe do equilíbrio. Cada composto envolvido em uma reação química contém uma certa quantidade de energia potencial relacionada com o tipo e o número de suas ligações. Nas reações que ocorrem espontaneamente, os produtos tem menos energia livre que os reagentes, assim a reação libera energia livre, que está disponível para realizar trabalho. Tais reações são exergônicas, e o declínio na energia livre a partir dos reagentes para os produtos é expresso como um valor negativo. Reações endergônicas requerem uma quantidade de energia, e seus valores de (G são, portanto, positivos. Assim como nos processos mecânicos, somente parte da energia liberada nas reações bioquímicas exergônicas pode ser usada para executar trabalho. Nos sistemas vivos, parte da energia é dissipada como calor, ou perdida para aumentar a entropia, uma medida a desorganização, que será definida com mais rigor no capítulo 14.

Nos organismos vivos, como no exemplo mecânico na Figura 1-9a, uma reação exergônica pode ser acoplada a uma reação endergônica ou a um processo para conduzir reações diferentes desfavoráveis. Figura 1-9b ilustra este princípio para o caso da síntese de glicose 6-fosfato, uma reação que ocorre em células do músculo. A maneira mais simples de produzir glicose 6-fosfato seria pela reação 1, que é endergônica (Pi é uma abreviação para fosfato inorgânico, HPO43-. Não se preocupem com as estruturas destes compostos agora; elas serão descritas em detalhes mais tarde).

Reação 1: glicose + Pi ( glicose 6-fosfato (endergônica, (G é positivo)

Nesta reação, o produto contém mais energia que os reagentes. Uma segunda reação, muito exergônica, pode ocorrer nas células vivas.

Reação 2: ATP ( ADP + Pi (exergônica, (G é negativo)

Nesta reação os produtos contêm menos energia que os reagentes – a reação libera energia. As duas reações químicas compartilham um intermediário comum, Pi, o qual é consumido na reação 1 e produzido na reação 2. As duas reações podem ser acopladas na forma de uma reação 3, que é escrita como a soma das reações 1 e 2, com o intermediário comum Pi, omitido dos dois lados da equação:

Reação 3: glicose + ATP ( glicose 6-fosfato + ADP

Porque a energia liberada na reação 2 é maior do que aquela consumida na reação 1, a reação 3 é exergônica: alguma energia é liberada ((G3 na Fig. 1-9b). Células vivas então sintetizam glicose 6-fosfato catalisando uma reação direta entre glicose e ATP, de fato acoplando reação 1 à reação 2.

O acoplamento de reações endergônicas com aquelas exergônicas é absolutamente central para trocas de energia nos sistemas vivos. O mecanismo pelo qual acoplamento de energia ocorre nas reações biológicas é via um intermediário compartilhado. Veremos que na reação 2 na Figura 1-9b, a quebra de adenosina trifosfato (ATP) é a reação exergônica, que dirige muitos processos endergônicos, nas células. De fato ATP (Fig. 1-10) é o maior transportador de energia química em todas as células, acoplando processos endergônicos àqueles exergônicos. O grupo fosfato terminal do ATP, sombreado de rosa escuro na Figura 1-10, é transferido para uma variedade de moléculas receptoras, que são ativadas para favorecer transformações químicas. Adenosina difosfato (ADP) é reciclado (fosforilado) para ATP, às custas de energia química (durante oxidação dos combustíveis) ou da luz solar (na fotossíntese celular).

- Reações celulares endergônicas são dirigidas pelo seu acoplamento a processos químicos ou fotoquímicos exergônicos através de intermediários químicos compartilhados.

As enzimas promovem reações químicas em cadeia

O fato de uma reação ser exergônica não significa que ela necessariamente se processará de forma rápida. O caminho que vai do reagente ao produto quase que invariavelmente envolve uma barreira energética, chamada barreira da ativação (Fig. 1-11), a qual precisa ser superada para que qualquer reação ocorra. A quebra e a síntese de ligações geralmente requerem o tensionamento e a torção das ligações existentes, criando um estado de transição de alto nível de energia livre, tanto em relação ao reagente quanto ao produto. O ponto mais alto da coordenada da reação, no diagrama, representa o estado de transição.

As barreiras de ativação são crucialmente importantes para a estabilidade das biomoléculas existentes nos sistemas vivos. Quando isoladas dos demais componentes celulares, a maioria das biomoléculas são estáveis por dias, ou mesmo anos, no interior das células; entretanto, elas sofrem transformações químicas em milissegundos. Sem a barreira de ativação, as biomoléculas no interior das células seriam rapidamente quebradas em forma simples e de pequeno conteúdo energético. O tempo de existência das moléculas complexas seria muito curto, e a extraordinária continuidade e organização da vida seriam impossíveis.

No interior das células todas as reações químicas ocorrem devido à presença de enzimas – catalisadores que são capazes de aumentar enormemente a velocidade de reações químicas específicas sem serem consumidos no processo. As enzimas como catalisadores agem diminuindo a barreira de ativação entre o reagente e o produto. A energia de ativação (G; Fig.1-11) requerida para superar essa barreira energética pode, em princípio, ser suprida pelo aquecimento da mistura de reação, mas esta opção não é possível nas células vivas. Assim, durante a reação, as enzimas ligam-se às moléculas dos reagentes no estado de transição, diminuindo, desta maneira, a energia de ativação e acelerando enormemente a velocidade da reação (Fig. 1-12). A relação entre a energia de ativação e a velocidade da reação é exponencial; uma pequena diminuição no G resulta em um grande aumento na velocidade da reação. As reações catalisadas por enzimas normalmente se processam a velocidades ao redor de 1010 até 1014 vezes maior do que as reações não catalisadas.

As enzimas são proteínas, com um número muito pequeno de exceções, como moléculas de RNA, que serão consideradas no capítulo 26. Cada proteína enzimática é específica para a catálise de uma determinada reação e cada reação no interior da célula é catalisada por uma enzima diferente. Cada célula requer, portanto, milhares de tipos diferentes de enzimas. A multiplicidade de enzimas, a sua alta especificidade para os reagentes e a sua suscetibilidade à regulação dão às células a capacidade de diminuir as barreiras de ativação seletivamente. Esta seletividade é crucial na eficaz regulação dos processos celulares.

As milhares de reações químicas enzimaticamente catalisadas nas células são funcionalmente organizadas em muitas seqüências diferentes de reações consecutivas chamadas vias, nas quais o produto de uma reação torna-se o reagente para a próxima reação (Fig. 1-13). Algumas dessas seqüências de reações enzimaticamente catalisadas, degradam nutrientes orgânicos em produtos finais simples, de forma a extrair energia química e convertê-la em uma forma utilizável pela célula. Juntos esses processos degradativos liberadores de energia livre são designados por catabolismo. Outras vias enzimaticamente catalisadas partem de moléculas precursoras pequenas e as convertem, progressivamente, em moléculas maiores e mais complexas, incluindo proteínas e ácidos nucléicos. Essas vias sintéticas requerem invariavelmente a adição de energia, e quando consideradas em conjunto representam o anabolismo. Esse conjunto de vias imbricadas e enzimaticamente catalisadas constitui o que chamamos de metabolismo. O ATP é o mais importante elo de conexão (intermediário compartilhado) entre as redes de reações catalisadas enzimaticamente catabólicas e anabólicas (Fig. 1-14). Essas redes de reações catalisadas por enzimas são virtualmente idênticas em todos os organismos vivos.

- O ATP é transportador universal de energia metabólica e une o catabolismo e o anabolismo.

O metabolismo é regulado para ser econômico e equilibrado

As células vivas não só podem sintetizar simultaneamente milhares de tipos diferentes de moléculas de carboidratos, lipídios, proteínas e ácidos nucléicos e suas subunidades mais simples, mas também podem fazê-lo nas precisas proporções requeridas pelas células. Por exemplo, quando ocorre uma rápida multiplicação celular, os precursores de proteínas e ácidos nucléicos precisam ser sintetizados em grandes quantidades, enquanto as necessidades por esses precursores para células, que não estão em processo de multiplicação, são muito reduzidas. As enzimas-chave em cada via metabólica são reguladas de tal forma, que cada tipo de molécula precursora é produzido em quantidade apropriada às necessidades correntes da célula. Considere a via mostrada na figura 1-15, a qual leva à síntese da isoleucina (um dos aminoácidos, as subunidades monoméricas das proteínas). Se a célula começa a produzir mais isoleucina do que o necessário para a síntese protéica, a isoleucina não utilizada acumula-se. Altas concentrações de isoleucina inibem a atividade catalítica da primeira enzima na via, diminuindo, imediatamente, a produção desse aminoácido. Esta retroalimentação (“feedback”) negativa mantém em equilíbrio a produção e a utilização de cada intermediário metabólico.

As células vivas também regulam a síntese dos seus catalisadores, as enzimas. Assim, uma célula pode desativar a síntese de uma enzima necessária para a produção de um determinado produto, enquanto este produto é obtido já pronto do meio ambiente. Estas propriedades de auto-ajustar-se e auto-regular-se, permitem às células manterem-se em um estado de equilíbrio dinâmico, a despeito das flutuações do ambiente externo.

- As células vivas são máquinas químicas auto-reguladas e ajustadas para uma economia máxima.

Transferência da informação biológica

A existência permanente de espécies biológicas requer que sua informação genética seja mantida em uma forma estável e, ao mesmo tempo, expressada com um número muito pequeno de erros. O armazenamento efetivo e a expressão acurada da mensagem genética definem cada espécie individual, distinguem-nas umas das outras e asseguram a sua continuidade por gerações sucessivas. Entre as descobertas mais produtivas da biologia do século XX estão a natureza química e a estrutura tridimensional do material genético, o DNA. A seqüência de desoxirribo nucleotídeos no polímero linear codifica as instruções para a formação de todos os outros componentes celulares e proporciona um molde para a reprodução de moléculas idênticas de DNA a serem distribuídas para as células filhas, ou progênie, quando a célula se multiplica.

A continuidade genética é atribuição das moléculas de DNA

(Parte 1 de 2)

Comentários