Metabolismo celular é a propriedade inerente à matéria viva que consiste em um conjunto de reações acopladas e simultâneas, nas quais os compostos necessários nos organismos são sintetizados e degradados. Tem sua expressão no nível celular e do organismo .

As reações químicas podem ser de dois tipos: catabolismo e anabolismo.

 

Catabolismo (fase destrutiva)

Sua função é reduzir, isto é, uma substância ou molécula complexa para torná-la mais simples.

Catabolismo é, em seguida, o conjunto de reações metabólicas em que mais ou menos complexas moléculas orgânicas (hidratos de carbono, lípidos), provenientes do ambiente externo ou reservas internas, quebram ou se degradam total ou parcialmente transformado em moléculas mais simples ( CO2, H2O, ácido lático, amônia, etc.) e liberando energia em maior ou menor quantidade que é armazenada na forma de ATP (adenosina trifosfato). Essa energia será utilizada pela célula para realizar suas atividades vitais (transporte ativo, contração muscular, síntese de moléculas).

As reações catabólicas são caracterizadas por:

São reações degradativas, por meio das quais compostos complexos são transformados em compostos mais simples.

São reações oxidativas, através das quais os compostos orgânicos são oxidados mais ou menos reduzidos, liberando elétrons que são capturados por coenzimas oxidadas que são reduzidas.

São reações exergônicas nas quais a energia armazenada na forma de ATP é liberada.

São processos convergentes pelos quais, a partir de compostos muito diferentes, os mesmos compostos são sempre obtidos (CO2, ácido pirúvico, etanol, etc.).

 

Anabolismo (fase construtiva)

Reação química para formar uma substância mais complexa das mais simples.

Anabolismo, então, é o conjunto de reações metabólicas pelas quais compostos simples (inorgânicos ou orgânicos) são sintetizados em moléculas mais complexas. Através dessas reações, novas ligações são criadas, o que requer uma entrada de energia que virá do ATP.

As moléculas sintetizadas são usadas pelas células para formar seus componentes celulares e, assim, podem crescer e se renovar ou serão armazenadas como reserva para seu uso posterior como fonte de energia.

 

Características gerais desses processos

As reações da síntese celular são aquelas em que componentes moleculares da célula são formados a partir de moléculas mais simples e consumo de energia . Exemplo: quimiossíntese , fotossíntese , biossíntese de proteínas e biossíntese de compostos como: hormônios , lipídios , condensação de compostos, bem como replicação e transcrição.

Os processos de degradação celular são aqueles em que moléculas complexas são transformadas em moléculas mais simples, com a liberação de energia. Exemplo: fermentação, respiração .

 

Exercício e Metabolismo

Exercício e jejum prolongado alteram a atividade metabólica. Sprint exige uma entrada rápida de energia. A primeira fonte de energia para o sprint é o composto fosfato de creatina. Como a arginina, a creatina contém um grupo de guanido. A creatina é um sistema de armazenamento muscular para ligações de fosfato de alta energia. O 0 para a hidrólise do fosfato de creatina é de cerca de 10,3 kcal (43,1 kJ) por mole, que é cerca de 3 kcal por mole maior do que a hidrólise do ATP.

No estado padrão, o equilíbrio para essa reação está muito à esquerda; Em outras palavras, a reação é desfavorável . No entanto, no estado padrão, todos os reagentes e produtos estão em uma concentração molar. Em outras palavras, a proporção de ATP para concentrações de ADP seria 1. Em um estado ativamente metabolizante, a proporção de ATP para ADP é tanto quanto 50 ou 100 para 1 – isso significa que a formação de Cr∼P ocorrerá a um nível razoável. O fosfato de creatina forma um reservatório de fosfato de alta energia, da mesma forma que a água pode ser bombeada a montante de um reservatório e liberada para uso posterior.

Exercício anaeróbico: corrida

Durante o sprint, ocorrem as seguintes séries de eventos:

O ATP é esgotado quando os músculos se contraem. Customize ADP concentrações.

Os fosfatos são transferidos de volta para o ATP a partir do fosfato de creatina para novos ciclos de contração muscular.

O fosfato de creatina armazena várias vezes a quantidade de energia que está no ATP.

A síntese rápida de ATP fornece a energia por alguns segundos de arrancada.

A glicólise anaeróbica deve funcionar em seguida.

A glicose é proveniente dos estoques de glicogênio no músculo; é catabolizado para lactato e liberado na circulação. À medida que o ATP diminui no músculo, a enzima miocinase interpreta o ADP resultante para recuperar um ATP de dois ADP.

O ATP pode, então, impulsionar outra contração. Eventualmente, a quantidade de ATP disponível se aproxima de um nível muito baixo para ser limitado pela miosina no músculo, mesmo que não esteja de modo algum exaurido. Os prótons (ácido) do metabolismo fazem com que a hemoglobina liberte seu oxigênio mais prontamente, promovendo uma mudança para o metabolismo aeróbico. Lactato e prótons da glicólise também podem levar à fadiga e incapacidade de sustentar o nível de velocidade que era possível antes. Na maioria dos humanos, isso parece ocorrer após uma corrida de cerca de 400 metros, e é por isso que “quartos de corrida” é um dos exercícios mais desagradáveis ​​para qualquer atleta, não importa quão bem condicionado.

 

Metabolismo aeróbico: exercício prolongado

Apenas uma quantidade finita de glicogênio permanece disponível em humanos para o exercício. O glicogênio total mais a glicose é de cerca de 600 a 700 kcal, mesmo que seja metabolizado aerobicamente. Correndo consome essa quantidade de energia em 1,5 a 2 horas. Usar gordura e / ou proteína muscular é necessário para continuar. A corrida a distância, portanto, requer a mobilização de gordura para suplementar a quebra de glicogênio; isso é melhor feito mais cedo ou mais tarde, a longo prazo. Corredores competitivos são dedicados a uma variedade de estratégias nutricionais que supostamente mobilizam reservas de gordura. A cafeína inibe a degradação do AMP cíclico e, portanto, contribui para a ativação da glicogênio fosforilase; Também age como epinefrina ou glucagon e mobiliza lipídios. A carnitina, transportadora de ácidos graxos na matriz mitocondrial, é usada como suplemento dietético com algum sucesso. Finalmente, o carregamento de carboidratos . Este é um procedimento em duas etapas. No primeiro passo, um corredor de longa distância come uma dieta com muito pouco carboidrato e se exercita vigorosamente para esgotar os estoques de glicogênio. Em seguida, ele ingere uma grande quantidade de carboidratos, como pão e massa, que fazem com que os músculos armazenem glicogênio em maior quantidade do que armazenariam normalmente.

 

Estado nutricional

Os humanos costumam comer algumas vezes por dia. Isso significa que o estado nutricional normal de um indivíduo cicla entre dois estados, bem alimentados e em jejum. Bioquimicamente, a fonte de glicose, que é de longe a fonte preferida de energia para o cérebro, define esses estados. Durante o estado bem alimentado, a dieta fornece glicose e o restante da energia necessária para a síntese de proteínas. Entre as refeições, a quebra do glicogênio e da gliconeogênese dos aminoácidos fornece os requerimentos de glicose. Em casos mais avançados de fome, a proteína muscular é quebrada mais extensamente para a gliconeogênese. Em estágios avançados de inanição, o metabolismo da glicose é reduzido e o cérebro metaboliza corpos cetônicos em energia.

A digestão dos alimentos e absorção do intestino caracteriza o estado bem alimentado , que dura cerca de quatro horas após a refeição. Aminoácidos livres e glicose são absorvidos e transportados para o fígado. O excesso de energia é convertido em gordura no fígado e transportado, juntamente com gordura dietética, para os tecidos adiposos. O pâncreas libera altos níveis de insulina em resposta a esses eventos. A insulina sinaliza ao fígado para converter glicose em glicogênio, aminoácidos em proteínas e gordura em triglicérides. Os tecidos adiposos sintetizam e depositam gorduras. A deficiência de insulina é uma causa de diabetes , caracterizada por níveis excessivos de glicose no sangue. Nesta doença, a glicose não é convertida em glicogênio ou gordura, por isso permanece na circulação.

Quando o indivíduo entra no estado de jejum , o glicogênio é decomposto em glicose para fornecer energia aos tecidos. Simultaneamente, a gliconeogênese começa quando os aminoácidos, lactato e piruvato do metabolismo são reciclados para a formação de glicose. À medida que as gorduras são decompostas, os ácidos graxos fornecem energia aos tecidos periféricos, enquanto o glicerol quebra os triacilgliceróis é transportado para o fígado e convertido em glicose. A gliconeogênese se torna mais importante do que a quebra de glicogênio após cerca de 16 horas de jejum. A gliconeogênese é máxima após cerca de dois dias sem alimento, quando os corpos cetônicos são feitos de gordura e transportados para o cérebro. Esta transição descreve o começo da inanição, que pode durar de seis a dez semanas antes da morte. Durante a fome, o corpo decompõe aminoácidos para glicose; no entanto, corpos cetônicos e gordura suprem a maioria dos requisitos de energia. Neste momento, o corpo está em saldo negativo de nitrogênio, porque a quantidade de nitrogênio excretada devido à quebra da proteína excede o nitrogênio ingerido nos alimentos. A pequena quantidade de glicose produzida é fornecida ao cérebro, rins e glóbulos vermelhos. Os dois últimos tecidos não possuem fontes de energia alternativas; o cérebro usa corpos cetônicos e glicose. Quando a gordura desaparece, as únicas fontes de energia disponíveis são os aminoácidos do músculo. Os esqueletos de carbono são metabolizados e o nitrogênio é excretado. Essa situação não pode continuar por muito tempo. Eventualmente, os rins falham, ou o músculo cardíaco é quebrado e o indivíduo morre.

 

Reações Químicas em Processos Metabólicos

Para que uma reação química ocorra, as moléculas reagentes (ou átomos) devem primeiro colidir e então ter energia suficiente (energia de ativação) para desencadear a formação de novas ligações. Embora muitas reações possam ocorrer espontaneamente, a presença de um catalisador acelera a taxa da reação porque diminui a energia de ativação necessária para que a reação ocorra. Um  catalisador  é qualquer substância que acelera uma reação, mas não sofre uma alteração química em si. Uma vez que o catalisador não é alterado pela reação, ele pode ser usado repetidamente.

Reações químicas que ocorrem em sistemas biológicos são referidas como metabolismo. O metabolismo  inclui a decomposição de substâncias (catabolismo), a formação de novos produtos (síntese ou anabolismo) ou a transferência de energia de uma substância para outra. Processos metabólicos têm as seguintes características em comum:

As enzimas  atuam como catalisadores de reações metabólicas. Enzimas são proteínas específicas para determinadas reações. O sufixo padrão para enzimas é “ase”, então é fácil identificar enzimas que usam essa terminação (embora algumas não o façam). A substância na qual a enzima atua é chamada de substrato. Por exemplo, a enzima amilase catalisa a quebra do substrato amilose (amido) para produzir o produto glicose. O  modelo de ajuste induzido  descreve como as enzimas funcionam. Dentro da proteína (a enzima), existe um sítio ativo com o qual os reagentes interagem prontamente por causa da forma, polaridade ou outras características do sítio ativo. A interação dos reagentes (substrato) e da enzima causa      a enzima para mudar de forma. A nova posição coloca as moléculas de substrato em uma posição favorável à sua reação e acelera a formação do produto.

O trifosfato de adenosina (ATP)  é uma fonte comum de energia de ativação para reações metabólicas. Na Figura 1, as linhas onduladas entre os dois últimos grupos fosfato da molécula de ATP indicam ligações de alta energia. Quando o ATP fornece energia para uma reação, geralmente é a energia na última ligação que é entregue à reação. No processo de dar-se esta energia, a última ligação de fosfato é quebrada e a molécula de ATP é convertido em ADP (difosfato de adenosina) e um grupo fosfato (indicado por P  i ). Em contraste, novas moléculas de ATP são montadas pela fosforilação quando o ADP combina com um grupo fosfato usando energia obtida de alguma molécula rica em energia (como a glicose).

Cofatores  são moléculas não proteicas que auxiliam enzimas. Uma holoenzima é a união do cofator e a enzima (chamado um apoenzima quando parte de uma holoenzima). Se cofatores são orgânicos, eles são chamados de  coenzimas  e geralmente funcionam para doar ou aceitar algum componente de uma reação, geralmente elétrons. Algumas vitaminas são coenzimas ou componentes de coenzimas.