Fundamentos moleculares da vida, Bioenergética e enzimas

A grande parte dos constituintes moleculares dos organismos vivos é composta de átomos de carbono unidos a outros átomos de carbono, de hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. As propriedades especiais destas ligações do carbono permitem a formação de uma grande variedade de moléculas.Caracterizar essas moléculas seria um trabalho herculano se não fosse o fato de que as macromoléculas (proteínas, ácidos nucléicos, polissacarídeos) são compostas de um pequeno conjunto de unidades monoméricas (aminoácidos, nucleotídeos, monossacarídeos) comuns. A maioria dessas unidades monoméricas exerce mais de uma função nas células vivas: os nucleotídeos servem não apenas como subunidades para os ácidos nucleicos, mas também como moléculas transportadoras de energia. Os aminoácidos são subunidades das moléculas protéicas e também precursores de neutrotransmissores, pigmentos e muitos outros tipos de biomoléculas. 

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

• Todos os organismos vivos constroem moléculas a partir dos mesmos tipos de unidades monoméricas.
• A estrutura de uma macromolécula determina sua função biológica específica. 
• Cada gênero e espécie são definidos por seu conjunto distinto de macromoléculas.

No curso da evolução biológica, um dos primeiros desenvolvimentos supõe-se ser 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. 

Embora a composição de um organismo possa ser quase constante ao longo do tempo, a população de moléculas no interior de uma célula ou de um organismo está bem 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, nesse momento estão carregando oxigênio de seus pulmões para o seu cérebro, fora sintetizadas no mês passado: daqui a 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 sanguínea; antes do dia terminar, essas moléculas terão sido convertidas em alguma outra substância, como dióxido de carbono ou gordura. A quantidade de hemoglobina e glicose no sangue permanece quase constante porque a velocidade de síntese ou a ingestão delas equilibra-se com a velocidade de quebra, consumo ou conversão.

 A energia é um tema central em bioquímica: as células e os organismos dependem de um suprimento constante de energia. O armazenamento e a expressão da informação consomem energia: sem essa energia as estruturas ricas em informação poderiam se tornar desordenadas e sem significado. As reações de síntese que ocorrem no interior das células também requerem o fornecimento de energia, bem como uma bactéria em movimento, no acender da luz de um vaga-lume, na descarga de um peixe elétrico. As células desenvolveram, durante a evolução, mecanismos altamente eficientes para capturar a energia do Sol, ou de extraí-la de alimentos, e transferir para os processos que dela necessitam.

A síntese contínua de componentes requer trabalho químico: o acúmulo e a retenção de sais e de vários compostos orgânicos que vão contra um gradiente de concentração envolvem um trabalho osmótico: a contração de um músculo ou o movimento do flagelo de uma bactéria representa trabalho mecânico. A bioquímica examina esses processos pelos quais a energia é extraída, canalizada e consumida; assim é essencial entender os princípios fundamentais da bioenergética: transformações ou trocas de energia das quais todos os 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 nem energia com seus arredores, ele é dito ser fechado. Se o sistema troca energia mas não troca matéria com seu meio, ele é dito sistema isolado; se troca ambas energia e matéria com o meio, ele é um sistema aberto.

Um organismo vivo é um sistema aberto já ele troca matéria e energia com seu meio. Organismos vivos usam duas estratégias para captar energia: (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 da luz solar.

A primeira lei da termodinâmica foi desenvolvida a partir dos conhecimentos físicos e químicos, mas é totalmente válida para 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 necessidades energéticas de todos os organismos provém, direta ou indiretamente, da energia solar.
• Todos os organismos vivos são interdependentes, trocando entre si energia e matéria por meio do meio ambiente.

O tema central em bioenergética é o modo pelo qual a energia do metabolismo de combustíveis ou da captura de luz é acoplada a reações que requerem energia. Reações químicas podem ser acopladas assim que uma reação libertadora de energia promove uma reação que requer energia. Reações em sistemas fechados ocorrem espontaneamente até que o equilibro seja alcançado. Quando um sistema está em equilíbrio, a velocidade de formação do produto é exatamente igual à velocidade na qual o produto é convertido em reagente.

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 agem diminuindo a barreira de ativação entre o reagente e o produto, ligando-se às moléculas dos reagentes no estado de transição e acelerando a velocidade da reação. As enzimas são proteínas, com um número muito pequeno de exceções, como moléculas de RNA. Cada proteína enzimática é específica para a catálise de uma determinada reação, e cada reação é catalisada por uma enzima diferente. Cada célula, então, requer milhares de tipos diferentes de enzimas. 

As milhares de reações químicas enzimaticamente catalisadas são funcionalmente organizadas em muitas sequências diferentes de reações consecutivas chamadas vias, nas quais o produto de uma reação se torna o reagente para uma próxima reação. Algumas dessas sequências de reações degradas nutrientes orgânicos em produtos finais simples, de forma a extrair energia química e convertê-la em uma forma utilizável pela célula. Juntos, esses processos liberadores de energia livre são designados catabolismo. Outras vias enzimaticamente catalisadas parem de moléculas precursoras pequenas e as convertem em moléculas mais complexas e maiores, incluindo proteínas e ácidos nucleicos. Essas vias sintéticas requerem invariavelmente a adição de energia, e quando consideradas em conjunto representam o anabolismo. Esse conjunto de vias constitui o que chamamos de metabolismo. O ATP é o mais importante elo de conexão entre os componentes catabólicos e anabólicos dessas vias, sendo ele o transportador universal de energia metabólica.

Resumo de:

LEHNINGER, Princípios de Bioquímica.