Bioenergética - Bioenergetics

Bioenergética é um campo da bioquímica e da biologia celular que diz respeito ao fluxo de energia através dos sistemas vivos. Esta é uma área ativa de pesquisa biológica que inclui o estudo da transformação de energia em organismos vivos e o estudo de milhares de processos celulares diferentes , como a respiração celular e muitos outros processos metabólicos e enzimáticos que levam à produção e utilização de energia em formas como as moléculas de trifosfato de adenosina (ATP). Ou seja, o objetivo da bioenergética é descrever como os organismos vivos adquirem e transformam energia para realizar o trabalho biológico. O estudo das vias metabólicas é, portanto, essencial para a bioenergética.

Visão geral

Bioenergética é a parte da bioquímica que se preocupa com a energia envolvida na criação e quebra de ligações químicas nas moléculas encontradas nos organismos biológicos . Também pode ser definido como o estudo das relações de energia e das transformações e transduções de energia em organismos vivos. A capacidade de aproveitar a energia de uma variedade de vias metabólicas é uma propriedade de todos os organismos vivos que contêm as ciências da terra. Crescimento , desenvolvimento , anabolismo e catabolismo são alguns dos processos centrais no estudo dos organismos biológicos, pois o papel da energia é fundamental nesses processos biológicos . A vida depende de transformações de energia ; os organismos vivos sobrevivem devido à troca de energia entre os tecidos / células vivos e o ambiente externo. Alguns organismos, como os autótrofos , podem adquirir energia da luz solar (por meio da fotossíntese ) sem a necessidade de consumir nutrientes e quebrá-los. Outros organismos, como os heterótrofos , devem ingerir nutrientes dos alimentos para poder sustentar a energia quebrando as ligações químicas dos nutrientes durante os processos metabólicos, como a glicólise e o ciclo do ácido cítrico . É importante ressaltar que como uma consequência direta da primeira lei da termodinâmica , autótrofos e heterótrofos participam de uma rede metabólica universal - comendo autótrofos (plantas), os heterótrofos aproveitam a energia que foi inicialmente transformada pelas plantas durante a fotossíntese .

Em um organismo vivo, as ligações químicas são quebradas e feitas como parte da troca e transformação de energia. A energia está disponível para o trabalho (como trabalho mecânico) ou para outros processos (como síntese química e processos anabólicos em crescimento), quando ligações fracas são quebradas e ligações mais fortes são feitas. A produção de ligações mais fortes permite a liberação de energia utilizável.

O trifosfato de adenosina ( ATP ) é a principal "moeda de energia" dos organismos; o objetivo dos processos metabólicos e catabólicos é sintetizar ATP a partir dos materiais iniciais disponíveis (do ambiente) e decompor o ATP (em difosfato de adenosina ( ADP ) e fosfato inorgânico), utilizando-o em processos biológicos. Em uma célula, a proporção entre as concentrações de ATP e ADP é conhecida como a " carga de energia " da célula. Uma célula pode usar essa carga de energia para retransmitir informações sobre as necessidades celulares; se houver mais ATP do que ADP disponível, a célula pode usar ATP para fazer o trabalho, mas se houver mais ADP do que ATP disponível, a célula deve sintetizar ATP via fosforilação oxidativa.

Os organismos vivos produzem ATP a partir de fontes de energia, principalmente luz solar ou O 2 , principalmente por meio da fosforilação oxidativa . As ligações de fosfato terminais do ATP são relativamente fracas em comparação com as ligações mais fortes formadas quando o ATP é hidrolisado (dividido pela água) em difosfato de adenosina e fosfato inorgânico. Aqui, é a energia livre termodinamicamente favorável da hidrólise que resulta na liberação de energia; a ligação fosfoanidrido entre o grupo fosfato terminal e o resto da molécula de ATP não contém essa energia. O estoque de ATP de um organismo é usado como bateria para armazenar energia nas células. A utilização da energia química desse rearranjo de ligações moleculares potencializa os processos biológicos em todos os organismos biológicos.

Os organismos vivos obtêm energia de materiais orgânicos e inorgânicos; ou seja, o ATP pode ser sintetizado a partir de uma variedade de precursores bioquímicos. Por exemplo, os litotróficos podem oxidar minerais como nitritos ou formas de enxofre , como enxofre elementar, sulfitos e sulfeto de hidrogênio para produzir ATP. Na fotossíntese , os autótrofos produzem ATP usando energia luminosa, enquanto os heterótrofos devem consumir compostos orgânicos, principalmente carboidratos , gorduras e proteínas . A quantidade de energia efetivamente obtida pelo organismo é inferior à quantidade liberada na combustão do alimento ; há perdas na digestão, metabolismo e termogênese .

Materiais ambientais que um organismo ingere são geralmente combinados com oxigênio para liberar energia, embora alguns também possam ser oxidados anaerobicamente por vários organismos. As ligações que mantêm as moléculas de nutrientes juntas e, em particular, as ligações que mantêm as moléculas de oxigênio livre juntas são relativamente fracas em comparação com as ligações químicas que mantêm o dióxido de carbono e a água juntos. A utilização desses materiais é uma forma de combustão lenta porque os nutrientes reagem com o oxigênio (os materiais são oxidados lentamente o suficiente para que os organismos não produzam realmente fogo). A oxidação libera energia porque ligações mais fortes (ligações dentro da água e dióxido de carbono) foram formadas. Essa energia líquida pode evoluir como calor, que pode ser usado pelo organismo para outros fins, como quebrar outras ligações para fazer a química necessária para a sobrevivência.

Tipos de reações

  • Uma reação exergônica é uma reação química espontânea que libera energia. É termodinamicamente favorecido, indexado por um valor negativo de Δ G ( energia livre de Gibbs ). Ao longo de uma reação, a energia precisa ser colocada, e essa energia de ativação leva os reagentes de um estado estável para um estado de transição altamente instável energeticamente para um estado mais estável que é mais baixo em energia (ver: coordenada de reação ). Os reagentes são geralmente moléculas complexas que são quebradas em produtos mais simples. A reação inteira é geralmente catabólica . A liberação de energia (especificamente da energia livre de Gibbs ) é negativa (ou seja, Δ G <0) porque a energia dos reagentes é maior do que a dos produtos.
  • Uma reação endergônica é uma reação química anabólica que consome energia. É o oposto de uma reação exergônica. Tem um Δ G positivo , por exemplo porque Δ H > 0, o que significa que é preciso mais energia para quebrar as ligações do reagente do que a energia que os produtos oferecem, ou seja, os produtos têm ligações mais fracas do que os reagentes. Assim, as reações endergônicas são termodinamicamente desfavoráveis ​​e não ocorrerão por si mesmas em temperatura constante. Além disso, as reações endergônicas geralmente são anabólicas .

A energia livre ganha ou perdida (Δ G ) em uma reação pode ser calculada da seguinte forma: Δ G = Δ H - T Δ S onde ∆ G = mudança de energia livre de Gibbs , ∆ H = mudança de entalpia , T = temperatura (em kelvins ) , e ∆ S = mudança de entropia .

Exemplos dos principais processos bioenergéticos

  • A glicólise é o processo de quebrar a glicose em piruvato , produzindo duas moléculas de ATP (por 1 molécula de glicose) no processo. Quando uma célula tem uma concentração maior de ATP do que ADP (ou seja, tem uma carga de alta energia ), a célula não pode sofrer glicólise, liberando energia da glicose disponível para realizar o trabalho biológico. O piruvato é um produto da glicólise e pode ser transportado para outras vias metabólicas (gliconeogênese, etc.) conforme a necessidade da célula. Além disso, a glicólise produz equivalentes redutores na forma de NADH (nicotinamida adenina dinucleotídeo), que será usado para doar elétrons à cadeia de transporte de elétrons .
  • A gliconeogênese é o oposto da glicólise; quando a carga de energia da célula é baixa (a concentração de ADP é maior do que a de ATP), a célula deve sintetizar glicose a partir de biomoléculas contendo carbono, como proteínas, aminoácidos, gorduras, piruvato, etc. Por exemplo, as proteínas podem ser quebradas em aminoácidos, e esses esqueletos de carbono mais simples são usados ​​para construir / sintetizar glicose.
  • O ciclo do ácido cítrico é um processo de respiração celular no qual a acetil coenzima A , sintetizada a partir da piruvato desidrogenase , é primeiro reagida com oxaloacetato para produzir citrato . As oito reações restantes produzem outros metabólitos contendo carbono. Esses metabólitos são oxidados sucessivamente, e a energia livre de oxidação é conservada na forma das coenzimas reduzidas FADH 2 e NADH . Esses portadores de elétrons reduzidos podem então ser reoxidados quando transferem elétrons para a cadeia de transporte de elétrons .
  • A cetose é um processo metabólico pelo qual os corpos cetônicos são usados ​​pela célula para obter energia (em vez de usar glicose). As células freqüentemente se transformam em cetose como fonte de energia quando os níveis de glicose estão baixos; por exemplo, durante a fome.
  • A fosforilação oxidativa é o processo em que a energia armazenada nas ligações duplas relativamente fracas do O 2 é liberada de maneira controlada na cadeia de transporte de elétrons . Equivalentes redutores como NADPH , FADH 2 e NADH podem ser usados ​​para doar elétrons para uma série de reações redox que ocorrem em complexos da cadeia de transporte de elétrons. Essas reações redox ocorrem em complexos enzimáticos situados na membrana mitocondrial. Essas reações redox transferem elétrons "para baixo" na cadeia de transporte de elétrons, que é acoplada à força motriz do próton . Esta diferença na concentração de prótons entre a matriz mitocondrial e o espaço da membrana interna é usada para conduzir a síntese de ATP via ATP sintase .
  • A fotossíntese , outro importante processo bioenergético, é a via metabólica usada pelas plantas na qual a energia solar é usada para sintetizar a glicose a partir do dióxido de carbono e da água. Esta reação ocorre no cloroplasto . Depois que a glicose é sintetizada, a célula vegetal pode sofrer fotofosforilação para produzir ATP.

Cotransport

Em agosto de 1960, Robert K. Crane apresentou pela primeira vez sua descoberta do cotransporte sódio-glicose como o mecanismo de absorção intestinal de glicose. A descoberta do cotransporte de Crane foi a primeira proposta de acoplamento de fluxo na biologia e foi o evento mais importante a respeito da absorção de carboidratos no século XX.

Teoria quimiosmótica

Uma das principais vitórias do bioenergética é Peter Mitchell 's teoria quimiosmótica de como protões em função solução aquosa na produção de ATP em células organelos tais como as mitocôndrias . Este trabalho rendeu a Mitchell o Prêmio Nobel de Química de 1978 . Outras fontes celulares de ATP, como a glicólise, foram compreendidas primeiro, mas tais processos de acoplamento direto da atividade enzimática à produção de ATP não são a principal fonte de energia química útil na maioria das células. O acoplamento quimiosmótico é o principal processo de produção de energia na maioria das células, sendo utilizado em cloroplastos e em vários organismos unicelulares , além das mitocôndrias.

Equilíbrio energético

A homeostase energética é o controle homeostático do balanço energético  - a diferença entre a energia obtida por meio do consumo de alimentos e o gasto de energia - em sistemas vivos.

Veja também

Referências

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    transporte cruzar a borda da escova. Esta hipótese foi rapidamente testada, refinada e ampliada [para] abranger o transporte ativo de uma gama diversificada de moléculas e íons em virtualmente todos os tipos de células.
  27. ^ Boyd, CAR (2008). “Fatos, fantasias e diversão em fisiologia epitelial” . Fisiologia Experimental . 93 (3): 303–14. doi : 10.1113 / expphysiol.2007.037523 . PMID  18192340 . o insight dessa época que permanece em todos os livros de texto atuais é a noção de Robert Crane publicado originalmente como um apêndice de um artigo de simpósio publicado em 1960 (Crane et al. 1960). O ponto-chave aqui era o 'acoplamento de fluxo', o co-transporte de sódio e glicose na membrana apical da célula epitelial do intestino delgado. Meio século depois, essa ideia se tornou uma das mais estudadas de todas as proteínas transportadoras (SGLT1), o cotransportador sódio-glicose.
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Leitura adicional

links externos