Em formação

1.14: Reações bioquímicas - Biologia


Compreender a química é essencial para compreender totalmente a biologia. Porque?

Uma compreensão geral da química é necessária para entender a biologia. Essencialmente, nossas células são apenas milhares de produtos químicos - feitos de elementos como carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, fósforo e enxofre - nas combinações certas. E esses produtos químicos se combinam por meio de reações químicas.

Reações químicas

O elemento cloro (Cl) é um veneno esverdeado. Você comeria cloro? Claro que não, mas você costuma comer um composto que contém cloro. Na verdade, você provavelmente come esse composto de cloro quase todos os dias. Você sabe o que é isso? É sal de cozinha. O sal de mesa é o cloreto de sódio (NaCl), que se forma quando o cloro e o sódio (Na) se combinam em certas proporções. Como o cloro, um produto químico verde tóxico, se transforma em sal de mesa branco inofensivo? Acontece em uma reação química.

UMA reação química é um processo que transforma algumas substâncias químicas em outras. Uma substância que inicia uma reação química é chamada de reagente, e uma substância que se forma como resultado de uma reação química é chamada de produtos. Durante uma reação química, os reagentes são usados ​​para criar os produtos.

Um exemplo de reação química é a queima de metano. Nesta reação química, os reagentes são metano (CH4) e oxigênio (O2), e os produtos são dióxido de carbono (CO2) e água (H2O). Uma reação química envolve a quebra e a formação de ligações químicas. Quando o metano queima, as ligações se quebram nas moléculas de metano e oxigênio, e novas ligações se formam nas moléculas de dióxido de carbono e água.

Equações Químicas

Uma reação química pode ser representada por um equação química. Por exemplo, a queima de metano pode ser representada pela equação química

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

A seta em uma equação química separa os reagentes dos produtos e mostra a direção em que a reação ocorre. Se a reação também pudesse ocorrer na direção oposta, seriam usadas duas setas apontando em direções opostas. O número 2 na frente de O2 e H2O mostra que duas moléculas de oxigênio e duas moléculas de água estão envolvidas na reação. (Sem número na frente de um símbolo químico, apenas uma molécula está envolvida.)

Conservação da Matéria

Em uma reação química, a quantidade de cada elemento não muda; há a mesma quantidade de cada elemento nos produtos que havia nos reagentes. Isso porque a matéria sempre é conservada. A conservação da matéria é refletida na equação química de uma reação. O mesmo número de átomos de cada elemento aparece em cada lado da seta. Por exemplo, na equação química acima, existem quatro átomos de hidrogênio em cada lado da seta. Você pode encontrar todos os quatro deles em cada lado da equação?

Resumo

  • Uma reação química é um processo que transforma algumas substâncias químicas em outras. Durante uma reação química, os reagentes são usados ​​para criar os produtos.
  • Em uma reação química, a matéria é sempre conservada.

Análise

  1. Defina uma reação química.
  2. Descreva as funções dos reagentes e produtos nas reações químicas.
  3. Como uma equação química mostra que a matéria é sempre conservada em uma reação química?
  4. Conhecendo aquela água (H2O) se forma a partir de hidrogênio (H+) e oxigênio (O2), escreva uma equação química para a formação de água a partir desses dois elementos.

Repensando a glicólise: na lógica bioquímica das vias metabólicas

As vias metabólicas podem parecer arbitrárias e desnecessariamente complexas. Em muitos casos, um químico pode conceber uma rota mais simples para a transformação bioquímica, então por que a natureza escolheu essas soluções complexas? Nesta revisão, destilamos lições de um século de pesquisa metabólica e apresentamos novas observações, sugerindo que a intrincada estrutura das vias metabólicas pode ser explicada por um pequeno conjunto de princípios bioquímicos. Usando a glicólise como exemplo, demonstramos como três restrições bioquímicas principais - favorabilidade termodinâmica, disponibilidade de mecanismos enzimáticos e as propriedades físico-químicas dos intermediários da via - eliminam estratégias metabólicas de outra forma plausíveis. Considerando essas restrições, a glicólise não contém etapas desnecessárias e representa uma das poucas estruturas de vias que atendem às demandas celulares. A análise apresentada aqui pode ser aplicada aos esforços de engenharia metabólica para o projeto racional de caminhos que produzem um produto desejado enquanto satisfazem as restrições bioquímicas.


Exemplos de reações de condensação

Glicosilação

A reação de glicosilação básica ocorre quando uma molécula com um grupo glicosila, como um carboidrato, se liga a um grupo funcional de outra molécula. Uma das formas mais importantes e prevalentes de glicosilação na natureza é chamada de glicosilação ligada a N, que é um processo pós-tradução essencial para o dobramento adequado de proteínas, fixação de matriz entre células e modulação da função de proteínas. Nessa reação de condensação, um oligossacarídeo (molécula de açúcar) conhecido como glicano se liga ao átomo de nitrogênio de uma molécula de proteína e produz uma molécula de água no processo.

Fosforilação

A fosforilação é uma reação de condensação importante para o funcionamento de açúcares, lipídios e proteínas e fundamental para regular a função de enzimas. Uma das reações de fosforilação mais simples da natureza é a fosforilação da glicose, que é a primeira etapa da glicólise. Quando a glicose é fosforilada no 6º carbono pelo trifosfato de adenosina (ATP) com a ajuda da enzima hexoquinase, os subprodutos são difosfato de adenosina (ADP) e ácido fosfórico.

Síntese de polipeptídeo e polinucleotídeo

Os aminoácidos podem se condensar em moléculas polipeptídicas (proteínas), liberando água como subproduto. Além disso, o DNA e o RNA são produzidos por meio da síntese de polinucleotídeos, que também é uma reação de condensação. Os polinucleotídeos se formam quando o grupo fosfato em uma molécula de nucleotídeo reage com o grupo hidroxila no grupo carboidrato de outro nucleotídeo. Durante essa reação, uma molécula de água é formada e liberada.

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A imagem acima mostra a síntese de polinucleotídeos usando o grupo amina (vermelho) de um aminoácido e o grupo carboxila (vermelho) de outro aminoácido. A reação de condensação forma uma molécula de água (azul).

Nylon

O nylon é um polímero de condensação feito pelo homem, o que significa que várias unidades moleculares idênticas são unidas por meio de uma reação de condensação. O nylon 66, um dos tipos mais importantes de nylon, é feito de ácido adípico e hexametilenodiamina. O polímero de náilon é formado ligando os grupos amina na hexametilenodiamina aos grupos de ácido carboxílico nas moléculas de ácido adípico em um padrão alternado. O subproduto dessa reação de condensação é a água.

A forma mais simples de náilon é o náilon 6, que é feito do aminoácido 6-ácido aminohexanóico. A água também é produzida nesta reação de condensação. Uma molécula de hidrogênio da extremidade amina do ácido 6-aminohexanóico se divide e é unida pelo grupo hidroxila do grupo ácido carboxílico na outra extremidade de outra molécula de ácido 6-aminohexanóico. Em seguida, os átomos de nitrogênio e carbono nas extremidades de cada uma das moléculas de ácido 6-aminohexanóico se ligam para formar o polímero de náilon 6.


A imagem acima mostra a estrutura química do Nylon 66 e do Nylon 6, dois produtos de reações de condensação que separam as moléculas de água.

Dacron

Dacron é o nome comercial do polietileno tereftalato (PET), um poliéster artificial que resulta da reação entre o ácido tereftálico e o etilenoglicol. Uma molécula de ácido tereftálico possui um grupo de ácido carboxílico em cada extremidade e o etilenoglicol possui um grupo hidroxil (álcool) em cada extremidade. Água é formada quando um grupo de ácido carboxílico e um grupo hidroxila são separados. As duas moléculas então se ligam nas extremidades por meio de ligações éster.


A imagem acima mostra como o ácido tereftálico e o etilenoglicol se combinam para formar o tereftalato de polietileno por meio de uma reação de condensação que libera água como subproduto.


Aula 5: Bioquímica 4

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Assuntos abordados: Bioquímica 4

Instrutores: Prof. Robert A. Weinberg

Aula 10: Biolo molecular.

Aula 11: Biolo Molecular.

Aula 12: Biolo Molecular.

Aula 13: Regulação do Gene

Aula 14: Localização de Proteínas.

Aula 15: DNA recombinante 1

Aula 16: DNA recombinante 2

Aula 17: DNA recombinante 3

Aula 18: DNA recombinante 4

Aula 19: Ciclo / Sinal Celular.

Aula 26: Sistema Nervoso 1

Aula 27: Sistema Nervoso 2

Aula 28: Sistema Nervoso 3

Aula 29: Células-tronco / Clon.

Aula 30: Células-tronco / Clon.

Aula 31: Molecular Medic.

Aula 32: Evolu Molecular.

Aula 33: Molecular Medic.

Aula 34: Polimorfo Humano.

Aula 35: Polimorfo Humano.

Eu só queria passar os primeiros minutos esclarecendo três questões. Nenhuma é uma questão conceitual importante, mas gostamos de nos concentrar nos detalhes e acertá-los, acertá-los aqui também.

Em primeiro lugar, eu desenhei uma reação da última vez que descreveu porque o RNA é alcalino lábil, ou seja, se temos um pH alto, chamamos isso de pH alcalino, ou um pH alcalino, na verdade, para usar o adjetivo. E dissemos que os grupos hidroxila podem causar a clivagem das ligações fosfodiéster do RNA, mas não o DNA. E a maneira como descrevi isso acontecendo é que o grupo alcalino causa a formação desse anel de cinco membros bem aqui, dois carbonos, dois oxigênios e um fosfato. E isso eventualmente se resolve onde não há mais nenhuma conexão com o monofosfato de ribonucleosídeo abaixo. E eu desenhei assim, sem oxigênio, e isso é um não porque, na verdade, na verdade, e como muitos de vocês perceberam, isso reverte para uma hidroxila de dois primos. Portanto, observe que há um erro aí. Existem também alguns outros erros. Por exemplo, no livro didático, você tem a impressão de que, ao polimerizar os ácidos nucléicos, você usa um monofosfato para isso.

E, se você ouviu minha palestra da última vez, isso não faz sentido, porque você precisa investir a energia de um trifosfato para criar energia suficiente para gerar energia suficiente para a polimerização. O livro está incorreto aí.

Os livros didáticos são escritos por pessoas, para o bem ou para o mal e, como tal, como tudo o mais, são mortais e falíveis. Então, a verdade é que, quando você está polimerizando DNA ou RNA, você precisa de um dos quatro ribonucleosídeos ou desoxirribonucleosídeos trifosfatos para doar a energia que torna possível essa polimerização.

E, por favor, note que é um erro no livro. Lembre-se, como eu disse da última vez, do fato de que ATP é realmente a moeda de energia na célula, e que sua energia é armazenada e enrolada nesta mola reprimida onde a repulsão eletrostática mútua entre os três fosfatos carregados negativamente carrega consigo enorme energia potencial.

E alguma dessa energia potencial pode ser realizada, durante a síntese de polimerização de ácidos nucléicos, clivando esta ligação aqui. Também é possível gerar energia potencial ao quebrar essa ligação aqui. Este é o alfa, o beta e o gama-fosfato. E a clivagem de qualquer um deles pode criar energia substancial, que por sua vez pode, como indicaremos em breve, ser investida em outras reações. A reação de polimerização. Um segundo ponto que gostaria de fazer a você é o seguinte, e você diria que é uma espécie de coincidência. A moeda de energia na célula é o ATP, trifosfato de adenosina, vemos sua estrutura aqui, e este passa a ser um dos quatro precursores do RNA.

Portanto, a mesma molécula é usada nessas duas aplicações diferentes, aparentemente não relacionadas. Um, polimerizar para fazer RNA onde a informação genética é armazenada e transmitida.

Ou, alternativamente, é usado aqui neste contexto para servir como uma moeda para a energia. Alta energia como ATP. ADP com um pouco menos de energia. Monofosfato de AMP com energia ainda mais baixa. E você pode se perguntar, coçar a cabeça e dizer por que a mesma molécula é usada para essas duas coisas diferentes?

Na verdade, existem ainda outras aplicações desses ribonucleosídeos que também parecem não estar relacionadas ao armazenamento ou ao transporte de informações genéticas. E acredita-se, provavelmente com razão, que a razão pela qual a mesma molécula é usada para essas aplicações totalmente diferentes é que no início da evolução da vida neste planeta realmente existia um número bastante pequeno de moléculas biológicas. Na verdade, como mencionaremos novamente mais tarde, é provável que os primeiros organismos não usassem DNA como genomas. É um artigo de fé conosco que se armazena informação genética em moléculas de DNA.

E eu deixei isso claro explicitamente da última vez. Mas, a verdade é que provavelmente o primeiro organismo, as primeiras formas de vida pré-celular usaram o RNA como material genético, o RNA para armazenar coisas, replicando o RNA por meio de moléculas de RNA de fita dupla como forma de arquivar Informação genética. E só mais tarde, durante a evolução da vida neste planeta, quando isso aconteceu, não podemos dizer, mas pode ter sido cem ou duzentos anos depois. Obviamente, se estamos falando sobre a origem da vida entre 3 e 3,5 bilhões de anos atrás, não podemos localizar isso muito bem no tempo, mas só mais tarde foi atribuída ao DNA a tarefa de armazenar, de forma estável, Informação genética. E, como consequência, percebemos também outra descoberta, que é que todos os catalisadores de que vamos falar hoje, as enzimas como as chamamos, quase todas as enzimas modernas são proteínas. E falamos sobre eles brevemente antes. Mas nos últimos 15 anos, 20 anos, houve a descoberta de que certas moléculas de RNA também possuem a capacidade de catalisar certos tipos de reações. Quando eu estava estudando bioquímica, se alguém tivesse me contado isso, eu teria ligado para a ala psiquiátrica porque era uma ideia muito bizarra.

Como uma molécula de RNA pode catalisar uma reação bioquímica?

Não tem todos os grupos laterais necessários para criar os locais catalíticos para as reações. Mas agora percebemos, com base na pesquisa que na verdade levou à entrega do Prêmio Nobel há cerca de cinco anos, que as moléculas de RNA são capazes de catalisar certos tipos de reações. E isso começa a nos dar uma ideia de como a vida se originou neste planeta porque as moléculas de RNA podem ter armazenado informações genéticas, como eu disse antes, as moléculas de RNA, ou seus precursores como ATP, podem ter sido sua moeda para armazenar ligações de alta energia, como é indicado aqui.

E as moléculas de RNA podem muito bem ter sido as primeiras enzimas a catalisar muitas das reações nas formas de vida mais primitivas que existiram pela primeira vez neste planeta. E, portanto, o que estou dizendo é que à medida que a vida se desenvolveu nos primeiros cem ou duzentos milhões de anos, quem sabe quanto tempo demorou, gradualmente o DNA assumiu a função de armazenar informações do RNA e, gradualmente, as proteínas assumiram a função de mediando a catálise, de atuar como enzimas para assumir o papel das moléculas de RNA. Hoje existem certas reações bioquímicas vestigiais que acreditamos serem relíquias, ecos do início da vida na Terra, que ainda são mediadas por catalisadores de RNA. Achamos que eles são um retrocesso a essas etapas iniciais, talvez até mesmo na forma de vida pré-celular, onde o RNA foi delegado com a tarefa de atuar como um catalisador.

Vamos nos concentrar muito hoje em toda a questão das reações bioquímicas e na questão da energia. E isso nos leva à compreensão de que realmente existem dois tipos de reações bioquímicas.

Alguns de vocês podem ter aprendido isso há muito tempo.

Ou reações exergônicas que liberam energia, que produzem energia à medida que avançam, ou, inversamente, reações endergônicas que requerem um investimento de energia para avançar.

Então, aqui, obviamente, se este é um estado de alta energia e estamos falando sobre a energia livre do sistema, que é uma forma de representar em linguagem termodinâmica quanta energia existe em uma molécula, se partirmos de uma alta energia estado para um estado de baixa energia, então podemos desenhar isso assim e podemos perceber que para conservar energia, a energia que era inerente a esta molécula, a energia de alto potencial é liberada conforme esta bola ou molécula rola colina abaixo. E, portanto, a reação produz energia, é exergônica. E, inversamente, se quisermos que essa reação prossiga, precisamos investir energia livre para que isso aconteça. A energia livre passa a estar, na maioria das vezes, na forma de ligações químicas, ou seja, energia que pode ser investida, por exemplo, aproveitando a energia potencial armazenada nesses fosfodiésteres, nessas ligações fosfato-fosfato indicadas corretamente aqui.

A propósito, aqui está o modelo de preenchimento de espaço do ATP apenas para sua informação. É assim que realmente seria na vida, e é assim que realmente o desenhamos.

Agora, tendo dito isso, se olharmos para o perfil de energia livre de várias mudanças bioquímicas, então podemos representá-las, mais uma vez, desta forma muito esquemática aqui.

E, a propósito, a energia livre é chamada de G, a energia livre de Gibbs em homenagem a Josiah Gibbs, que era um gênio da termodinâmica no século 19 em Yale em New Haven. E aqui o que vemos é que a mudança na energia livre entre os reagentes e os produtos é dada por delta G. Então, por definição, iniciamos a reação com os reagentes.

E acabamos no final da reação com os produtos.

E, no geral, se a reação for exergônica e prosseguir, ela libera energia. E a liberação líquida de energia é indicada aqui por delta G. Mas, na maioria das vezes, as reações bioquímicas que são energeticamente favorecidas, que são exergônicas, na verdade não podem acontecer espontaneamente.

Eles não acontecem espontaneamente porque, por vários motivos, eles têm que passar por um estado intermediário.

O que na verdade representa uma energia livre muito maior do que os reagentes iniciais possuem. E essa energia livre superior, que eles precisam adquirir para se moverem sobre a colina e descerem para o vale, é chamada de energia de ativação, a energia de ativação.

E, portanto, se eu fosse fornecer energia a esses reagentes, por exemplo, digamos que eu aquecesse esses reagentes e, portanto, fornecesse a eles um grau mais alto de energia térmica que eles poderiam ser capazes de usar para se mover até esta alta energia Estado.

Eu os forneci com energia gratuita, dando-lhes calor.

Então, eles podem ser capazes de se mover até aqui e, em seguida, rolar colina abaixo.

Mas, na ausência de realmente intervir ativamente e fornecer-lhes essa energia, eles permanecerão bem aqui, e podem permanecer ali por um milhão de anos, mesmo que, em princípio, se estivessem aqui embaixo, seriam muito mais felizes em termos de atingir um estado de energia muito mais baixo. Para afirmar o óbvio, todos esses tipos de reações desejam atingir o estado de energia mais baixo possível. Mas em tempo real isso não pode acontecer se houver uma alta energia de ativação. Agora, o que as enzimas fazem?

Como sempre, estou feliz por ter feito essa pergunta. O que eles fazem é diminuir a energia de ativação. E isso é óbvio em certo sentido, e em certo sentido é sutil, porque as enzimas não afetam o estado de energia livre dos reagentes, elas não afetam a energia livre dos produtos. Tudo o que eles fazem é abaixar a saliência, e podem abaixá-la substancialmente.

E porque eles o baixam substancialmente, pode ser que alguns dos reagentes aqui possam, apenas por uma chance, aquisição de energia térmica, ser capaz de se mover sobre a elevação muito reduzida e descer para este estado bem aqui. Agora, a diferença real na energia livre de Gibbs é totalmente afetada.

Tudo o que acontece é que a enzima, ao diminuir a energia de ativação, torna isso possível em tempo real. O fato é que, em última análise, se traçarmos muitos tipos de reações, muitas reações, como é indicado aqui, têm uma energia de ativação muito alta e, portanto, nós a vemos assim. Mas pode haver outras reações que podem ter uma energia de ativação semelhante a esta, quase nada. E essas reações podem acontecer espontaneamente à temperatura ambiente, na ausência de qualquer intervenção de uma enzima. Por exemplo, digamos que estejamos falando de um grupo carboxila que libera um próton. Já conversamos sobre isso. Bem, essa reação acontece espontaneamente em temperatura ambiente. Não precisa de enzima para fazer isso acontecer. Isso pode acontecer porque essencialmente não há energia de ativação. Mas a grande maioria das reações bioquímicas tem essa energia de ativação e, portanto, requer uma redução como essa para ocorrer.

Agora, vamos imaginar outras versões do perfil de energia de uma reação.

E lembre-se de que o que estou mostrando aqui na abscissa é apenas o curso da reação. Você pode imaginar que não estou planejando o tempo. Estou apenas falando sobre uma situação em que à esquerda a reação não aconteceu e à direita aconteceu. Você pode ver isso aí? Então não vou escrever aí. Tudo bem. Vamos ver se isso funciona.

Rapaz, aqui estamos nós no século 21 e ainda não resolvemos isso.

OK. Todos podem ver isso bem aqui, certo? OK.

Então olhe. Vamos imaginar que temos uma reação semelhante a este, um perfil de reação semelhante a este, onde essas duas energias são realmente equivalentes. OK? Tentei desenhá-los.

Bem, eles não são exatamente, mas estão exatamente no mesmo nível. E digamos que comecemos com um grande número de moléculas bem aqui. Agora, se houvesse uma enzima por perto, a enzima poderia diminuir a energia de ativação e, ao fazer isso, possibilitar que as moléculas passassem por esse túnel e se movessem até aqui. O fato de que quando uma molécula chega aqui, ela tem a mesma energia livre que ali significa que o catalisador pode, em princípio, também facilitar uma reação reversa.

O que quero dizer com reação nas costas? Quero dizer, indo exatamente na direção oposta. E assim, uma vez que as moléculas aqui são formadas, os efeitos de redução de energia da enzima podem permitir que elas se movam em ambas as direções. E, portanto, o que teremos é, em última instância, o estabelecimento de um equilíbrio.

Se esses dois estados de energia forem equivalentes, então, eu direi a vocês, 50% das moléculas terminam aqui e 50% das moléculas terminam aqui. E aqui estamos começando a lutar entre dois conceitos independentes diferentes, a taxa da reação e o estado de equilíbrio da reação.

Observe que a enzima não tem nenhum efeito sobre o estado de equilíbrio.

Esses dois estão em energias livres iguais, o estado de equilíbrio.

Se a barreira de energia é tão alta ou tão alta é irrelevante. O fato é que, se a enzima possibilitar esse movimento para frente e para trás, o estado de equilíbrio final será 50% das moléculas aqui e 50% das moléculas ali.

E, portanto, a enzima realmente afeta apenas a taxa em que a reação ocorre. Isso acontecerá em um microssegundo ou em um dia ou em um milhão de anos?

A enzima não tem nenhum efeito sobre o produto final final, que neste caso é o equilíbrio.

Claro, existe um formalismo matemático simples que relaciona a diferença nas energias livres com o equilíbrio.

Aqui podemos ter uma situação em que 80% das moléculas terminam em equilíbrio aqui e 20% terminam aqui. Ou podemos acabar como um estado em que 99% das moléculas terminam aqui e 0.

% das moléculas acabam aqui. Mas esse estado de equilíbrio final não é influenciado pela enzima. Eles apenas fazem acontecer em tempo real. E, portanto, para repetir e ecoar um ponto que afirmei da última vez, se a maioria das reações bioquímicas ocorrerem em tempo real, ou seja, na ordem de segundos ou minutos, uma enzima deve estar disponível para garantir que elas aconteçam.

Na ausência de tal enzima de sua intermediação, simplesmente não acontecerá em tempo real. Mesmo que, em princípio, seja energeticamente favorecido. Portanto, vamos apenas manter isso em mente no decorrer das discussões que acontecerem. E vamos começar agora a examinar uma importante reação geradora de energia na célula, chamada glicólise. Já conhecemos o prefixo glicol.

Glyco se refere ao açúcar. E a lise, L-Y-S-I-S, refere-se à degradação de um determinado composto. Não vou pedir-lhe, nem ninguém na sala vai pedir-lhe que memorize esta sequência de reações. Mas eu gostaria que você olhasse para isso e veja que lições para levar para casa podemos extrair disso, que sabedoria podemos aprender olhando para uma série tão complexa de reações. Talvez, a primeira coisa que possamos aprender é que, quando pensamos sobre reações bioquímicas, não pensamos que elas acontecem isoladamente. Aqui estou falando, por exemplo, neste caso, eu poderia estar falando A mais B indo para C mais D, e pode haver uma reação reversa para alcançar o equilíbrio.

E estamos apenas isolando essa reação simples de todas as outras ao seu redor.

Mas no mundo real, nas células vivas, a maioria das reações são partes de caminhos muito longos, onde cada uma dessas etapas aqui indica uma das outras, uma etapa do caminho. O que nos interessa aqui é como a glicose, que anunciei há duas palestras como sendo uma importante fonte de energia, é realmente decomposta.

Como a célula coleta a energia, inerente à glicose, para gerar, entre outras coisas, o ATP, que já dissemos ser a moeda da energia? O ATP é usado por centenas de reações bioquímicas diferentes para fazê-las acontecer.

Essas outras reações bioquímicas são endergônicas, exigem investimento de energia e quase invariavelmente, mas não invariavelmente, mas quase invariavelmente a célula se apoderará de uma molécula de ATP, dividindo-a geralmente em AMP ou ADP.

E então utilizar a energia, que deriva da quebra do ATP, vai investir essa energia em uma reação endergônica, que de outra forma não aconteceria. Então, aqui chegamos à ideia de que talvez ao investir energia em uma reação, o equilíbrio seja alterado. Porque ao investir energia, na verdade, a célula é capaz de diminuir o estado de energia livre entre esses dois.

E isso permite que seu equilíbrio seja muito mais favorecido.

Vejamos essa via glicolítica. Glicolítico refere-se, obviamente, à glicólise. E aqui começamos com a glicose.

Estamos desenhando isso de forma plana, em vez da estrutura circular da qual falamos na última vez. E vejamos o que acontece aqui, de novo, não porque alguém queira que você memorize isso, mas porque alguns dos detalhes são em si muito ilustrativos.

O objetivo deste exercício é criar ATP para a célula, mas a primeira etapa da reação é, na verdade, totalmente contraproducente. Veja a primeira coisa que acontece. A primeira coisa que acontece é que a célula investe uma molécula de ATP para produzir glicose-6-fosfato.

Anunciei que o objetivo disso é gerar ATP a partir do ADP, difosfato de adenosina. Mas a primeira coisa aqui, é uma reação endergônica na qual a célula investe energia para criar essa molécula aqui. Então, isso não faz sentido.

Mas, ostensivamente, deve fazer sentido, em um nível ou outro, porque você e eu, estamos todos aqui, e todos nesta sala, pelo menos este momento está metabolicamente ativo.

Tudo bem. Então, nós temos esta molécula aqui, glicose-6-fosfato. E isso pode isomerizar.

Veja, aqui está a glicose-6-fosfato, a frutose-6-fosfato.

E, o fato da questão é que não há nenhuma reação de redução de oxidação aqui. É apenas uma isomerização.

E esta molécula e esta molécula estão virtualmente no mesmo estado de energia livre. Acontece que o perfil deles será muito parecido com o que desenhei para você antes. Seu perfil de energia será assim. E é necessária uma enzima para baixá-la, mas não há energia que precisa ser investida na conversão de uma na outra, porque são moléculas muito semelhantes e, portanto, estados de energia livre incomparáveis. Agora olhe para a próxima etapa.

O próximo passo é novamente outra forma ostensivamente totalmente contraproducente de gerar energia. Porque, mais uma vez, o ATP, o gama-fosfato, sua energia é investida na criação de uma hexose desfosforilada, a frutose 1, 6-difosfato onde os números referem-se obviamente às identidades do carbono.

E agora temos uma molécula de frutose desfosforilada.

E então aqui você pode realmente ver o que é tridimensional, o que imaginaríamos mais perto de como são as estruturas tridimensionais dessas moléculas. E não devemos nos concentrar neste momento se é isso ou isso. Para todos os efeitos práticos, vamos nos concentrar neste caminho aqui. E aqui, pela primeira vez, o que agora acontece é que essa hexose se divide em duas trioses, ou seja, em dois três açúcares de carbono.

E esta é uma reação ligeiramente exergônica.

Rende, acontece sem investimento de energia.

E há uma enzima, mais uma vez, necessária para catalisá-la. Mas vamos ser bem claros agora.

Agora temos que seguir o destino de duas moléculas.

A primeira triose e a segunda triose. Eles têm nomes diferentes, mas não vamos nos concentrar nos nomes. Uma coisa que você nota sobre essas trioses é que elas são prontamente conversíveis.

Mais uma vez, podemos imaginar que temos uma situação semelhante a esta. Estes estão indo e voltando.

E, portanto, para todos os fins práticos de nosso ponto de vista, esses dois são equivalentes porque podem ser trocados virtualmente instantaneamente um pelo outro. Agora, até agora, nós realmente gastamos energia. Não colhemos energia. Mas, lembre-se, o velho ditado econômico de que você precisa investir dinheiro para ganhar dinheiro.

E é isso que está acontecendo aqui. A primeira coisa que acontece é que temos uma reação de oxidação. O que é uma reação de oxidação?

Queremos retirar alguns elétrons, um par de elétrons dessa triose em particular, o açúcar de 3 carbonos.

E ao retirar um par de elétrons, doamos os elétrons do NAD + para o NADH. E aqui essas estruturas são fornecidas em seu livro. Mas o NADH, ao que parece, é que os elétrons são puxados para longe da triose e são usados ​​para reduzir o NAD + a NADH.

Lembre-se de que em uma reação de oxidação, uma molécula que está sendo oxidada é privada, tem um par de elétrons negado.

A outra molécula que está sendo reduzida, neste caso o NAD, adquire um par de elétrons. E você pode se concentrar, se quiser, na carga dessas moléculas, uma ou outra. Mas, tenha em mente que, nessas reações de redução de oxidação, se ela tem carga positiva ou carga negativa é irrelevante. O verdadeiro nome do jogo são os elétrons. Esqueça os prótons, sejam eles uma carga positiva ou neutra. O verdadeiro nome do jogo aqui é que dois elétrons estão sendo usados ​​para reduzir essa molécula a isso.

A propósito, terceiro erro que esqueci de dizer antes, há uma ligação dupla em uma das pirimidinas do livro que não faz nenhum sentido. Quem o encontrar ganha um prêmio, mas ninguém descobriu ainda qual é o prêmio. Então, esse vínculo duplo fica reduzido. Você vê a diferença entre isso e isso aqui. E esse NADH, ao que parece, é uma molécula de alta energia. O valor de rua de NADH é três ATPs, ou seja, nas mitocôndrias NADH pode ser usado para gerar três ATPs, e isso vale alguma coisa. Portanto, o NADH por si só é uma molécula de alta energia. Não pode ser usado para tantas coisas, mas pode ser puxado para as mitocôndrias, onde é convertido em três ATPs.

Então, dizemos, bem, estamos começando a ganhar algum dinheiro com esse investimento porque fizemos, de fato, esses NADHs.

Veja bem aqui. Por que dizemos dois NADHs?

Porque existem duas trioses com as quais estamos trabalhando, e cada uma das trioses dá a você um NADH. Então, tudo o que está acontecendo depois disso, começando do topo aqui, agora é duplo porque estamos observando os comportamentos paralelos de dois açúcares idênticos de três carbono.

Então, aqui até agora geramos, em princípio, seis ATPs.

Quanto já investimos até aqui? Dois.

Investimos dois, mas colhemos seis. Já estamos começando a ganhar algum dinheiro porque eu disse que o valor de mercado de um NADH são três ATPs no mercado negro. OK, então o que acontece a seguir?

O próximo é outra coisa boa. Cada uma das trioses, pode realmente fazer com que cada uma das trioses gere uma molécula de ATP a partir de um ADP. o que acontece aqui?

Acontece que esse fosfato aqui está, na verdade, em um estado de energia bastante alto, em grande parte por causa da repulsão negativa-negativa do elétron. E ao retirar este fosfato deste fosfato de alta energia retirado desta molécula aqui, cujo nome iremos ignorar, permite-nos fosforilar um ATP.

E como há duas trioses sendo convertidas, obteremos dois ATPs. Então, na verdade, agora estamos realmente à frente. Começamos investindo dois, recebemos seis de volta dos NADHs e estamos recebendo dois de volta aqui.

Então, nós fizemos dois ATPs. Isto é uma coisa boa. Lembre-se de que o ADP é de baixa energia, o ATP é de alta energia. Mais uma vez, temos uma isomerização onde essas duas moléculas estão em estados comparáveis ​​aqui e aqui, onde o fosfato simplesmente salta para este estado. E isso hidrolisa espontaneamente e temos essa molécula bem aqui, fosfoenolpiruvato no final.

E, mais uma vez, colhemos dois ATPs, um ATP de cada uma das trioses. E a gente acaba, no final dessa reação, com piruvato. E você dirá que isso é ótimo porque investimos dois ATPs, colhemos quatro, além disso, obtivemos seis dos NADHs, certo? Dois NADHs, cada NADH nos dá três cada, então vamos fazer a aritmética. Vamos fazer o balanço. Investimos para começar, com uma glicose, investimos dois ATPs. Isso foi no início. Em seguida, o retorno foram os primeiros dois NADHs, que eu disse que são iguais a seis ATPs. Porque um NADH vale três ATPs.

Isso até agora é bom. E agora, subsequentemente, criamos quatro ATPs para que o rendimento líquido pareça muito útil. Seis mais quatro são dez menos dois, um lucro de oito ATPs de uma molécula de glicose.

Isso é ótimo, você pode dizer, mas há um problema.

Há um problema. Se a glicólise está ocorrendo na ausência de oxigênio, se isso acontecer, então temos um problema aqui, porque a única maneira que esses NADHs podem gerar ATP é se houver oxigênio por perto para pegar esses pares de elétrons e usá-los para reduzir uma molécula de oxigênio . Essa é, aliás, parte da razão pela qual respiramos. Lembre-se de que, ao gerar um NADH a partir de uma molécula de NAD, você precisa regenerar o NAD.

Você não pode simplesmente acumular mais e mais NADHs. Você precisa regenerar o NAD. E, portanto, este NADH, com seus pares de elétrons, os pares de elétrons têm alguns para serem eliminados. Você tem que regenerar o NAD. Você não pode simplesmente fazer mais e mais e mais disso. Então, como as células se livram dele?

Bem, como eles se livram disso é simples.

Você pega os pares de elétrons e os coloca no oxigênio, e isso realmente se chama combustão. E você obtém muita energia disso. Mas o que acontece se tudo isso estiver ocorrendo anaerobicamente?

Anaerobicamente significa que a reação está ocorrendo na ausência de oxigênio.

Bem, se você tem uma levedura que está crescendo 4 metros abaixo da superfície, isso está acontecendo anaerobicamente. Se você tiver uma levedura que está fermentando em um grande barril para fazer vinho ou cerveja, provavelmente também está acontecendo de forma anaeróbica. Se você começar a correr em uma corrida de 100 jardas, ou digamos que você tenha que correr uma milha, então inicialmente há oxigênio suficiente, há muito oxigênio ao redor para permitir que você se livre desses NADHs e despeje os elétrons que eles adquiriram em a molécula de oxigênio. E tudo bem.

Isso vale muito porque, na verdade, o que você está fazendo é tomar oxigênio e hidrogênio e os queimar juntos.

E isso é ótimo. Mas, à medida que você começa a correr pela rua, logo o suprimento de oxigênio para os músculos vai acabar e, em breve, grande parte da produção de energia em seus músculos acontece anaerobicamente. Porque? Porque você não pode levar oxigênio rápido o suficiente para seus músculos e, portanto, por um período de tempo, você começa a sentir aquela sensação de queimação em seus músculos porque a oxidação do NADH não está acontecendo. E esses NADHs, em vez disso, são regenerados de outra maneira. Como eles são regenerados? Os pares de elétrons dos NADHs, devem ser, são despejados de volta nesta molécula aqui, piruvato. Eles não são usados ​​para fazer ATP porque não podem ser usados ​​para fazer ATP porque não há oxigênio por perto para aceitar os pares de elétrons que esses NADHs adquiriram.

E então, o que acontece com esses NADHs valiosos?

Em condições anaeróbicas, isso não acontece.

Em vez disso, esses NADHs são usados, seus elétrons são doados para nosso amigo piruvato aqui, esses três carbonos de açúcar.

E o que acontece, quando eles são doados de volta ao piruvato, para regenerar o NAD você precisa de mais NAD para pegar para usar mais tarde na reação, para usar novamente em outra reação.

Quando você doa os elétrons do NADH de volta ao piruvato, o que acontece? Você obtém ácido láctico. O ácido lático é o que faz seus músculos queimarem quando você está correndo muito rapidamente e não consegue obter oxigênio suficiente para começar a queimar o NADH.

Portanto, em vez de usar o NADH para gerar ATP, ele é desviado para produzir ácido lático. Em certo sentido, isso é bom porque você regenera o NAD.

Por que você precisa regenerar o NAD? Porque você precisa de muito NAD para as etapas anteriores da reação.Lembre-se de que, no início da reação, você precisa do NAD aqui. Se você não o regenerar, a glicólise irá parar. Então, embora você faça NADH e seja uma coisa boa em princípio, na prática ele tem que ser reciclado.

E se não for reciclado para fazer mais NAD novo para permitir que esta etapa aconteça, então toda a reação glicolítica será desativada e você estará em uma bagunça. No entanto, infelizmente, na ausência de oxigênio, a única maneira de reciclar isso é despejar esses elétrons não no oxigênio, que é rico em energia, mas jogá-los de volta no ácido pirúvico criando ácido láctico.

Então, você reduz esse vínculo bem aqui. Então, você tem CH, COH. Esta ligação aqui é reduzida e você obtém ácido láctico.

Então, em vez de uma ligação carbonila aqui você tem CH e COH aqui, isso é uma reação de redução. E agora você pode regenerar o NAD. E agora você diz que isso é ótimo. Mas, tenha em mente que agora toda a reação glicolítica, quanto é o nosso lucro líquido agora? Antes de me orgulhar do fato de termos feito oito ATPs, obtivemos oito ATPs com isso. A que estamos de volta agora?

Qual é o rendimento líquido total agora? Bem, os TAs não podem responder.

São dois, porque investimos dois e tiramos quatro.

E são apenas dois. Agora, por que isso é tão interessante?

Bem, até cerca de seiscentos milhões de anos atrás, não havia tanto oxigênio na atmosfera. E, na ausência de oxigênio, essa é quase a única reação que poderia ser usada para gerar energia. E cerca de seiscentos milhões de anos atrás, mais e mais oxigênio da fotossíntese foi despejado na atmosfera.

E logo o oxigênio se tornou disponível para organismos como nossos ancestrais.

E então eles poderiam realmente começar a reciclar este NADH de uma forma muito mais produtiva. E como consequência o que aconteceu, em vez de ter glicólise produzindo dois, poderíamos subir para esse oito teórico porque os NADHs agora poderiam depositar seus elétrons no oxigênio, o que é muito mais lucrativo.

Na verdade, acabei de dizer que, na ausência de oxigênio, você só pode fazer dois ATPs. Vou te dizer, sem te dar, que na presença de oxigênio você pode fazer 34 ATPs.

E 34 é, podemos concordar, muito melhor do que dois na presença de oxigênio. As formas de vida superiores não poderiam evoluir até que esta maneira muito mais eficaz de gerar energia se tornasse disponível. E, portanto, se nossos ancestrais que viveram mais de seiscentos milhões de anos atrás eram muito preguiçosos e não eram muito inteligentes, a razão pela qual eles eram lentos e não eram muito inteligentes é porque eles não podiam gerar a energia que foi necessário para conduzir o metabolismo de forma eficiente.

O metabolismo, metabolismo anaeróbico, i.

., ocorrendo na ausência de energia, é extremamente ineficiente.

Simplesmente não acontece muito bem. Agora, o que realmente acontece se tivermos oxigênio por perto? Bem, o que acontece é algo assim. Pegamos o piruvato, que é o produto da glicólise e que é essa via muito mais primitiva, e o despejamos na mitocôndria. E agora geramos através deste ciclo aqui, que não estou pedindo que memorizem, por favor, não façam isso. Geramos as reações que partem daqui e nos levam a esse rendimento de 34 ATP por glicose. E a essência do ciclo do ácido cítrico, que acontece nas mitocôndrias, lembre-se que as mitocôndrias são assim.

Lembre-se de que as mitocôndrias são descendentes de bactérias que parasitaram o citoplasma das células há provavelmente 1,5 bilhão de anos.

Mas se agora olharmos para o que acontece na mitocôndria, o piruvato que geramos no citosol, na parte solúvel do citoplasma é agora bombeado para a mitocôndria, e há toda uma série de reações que acontecem aqui, o que leva este açúcar de três carbonos. A primeira coisa que acontece é que o carbono é evaporado. Dióxido de carbono é liberado.

Agora estamos reduzidos a um açúcar de dois carbonos. E então este açúcar de dois carbonos é adicionado a um açúcar de quatro carbonos e oxidado progressivamente.

E, à medida que é oxidado, o que é desmembrado? Bem, o que é desmembrado é, por exemplo, existe o NADH que é desmembrado, existe o ATP.

Veja, há um NADH que foi desmembrado. Aqui está um NADH que foi desmembrado.

Aqui está um primo do NADH. É chamado de FADH que, mais uma vez, gera uma molécula de alta energia. Mais uma vez, as moléculas de carbono são oxidadas, os elétrons são arrancados e usados ​​para criar essas moléculas de alta energia, FADH e NADH.

A propósito, FADH, um primo do NADH, vale apenas dois ATPs no mercado aberto. Considerando que, NADH, como eu disse a você repetidamente, vale três. E no momento em que somamos todos os NADHs que foram gerados por este ciclo e os dióxido de carbono que são liberados, no final deste ciclo aqui começamos com dois carbonos, adicionamos a quatro e obtemos uma molécula de seis carbono .

Nós expelimos um pouco de dióxido de carbono aqui e voltamos a quatro carbonos de açúcar. Adicione mais dois, vá até seis carbonos. Dê a volta novamente, gire a roda. E cada vez que fazemos isso, geramos muitos NADHs, geramos muitos FADHs e muitos ATP. Em todos os casos, essas reações são altamente lucrativas simplesmente porque os NADHs e os FADHs podem ser usados ​​na mitocôndria para gerar ATP. Então, vamos dar uma olhada no perfil de energia de tudo isso. Junte tudo. Aqui é onde começamos no início, e este é o fim da glicólise, OK? Então, agora estamos somando os perfis de energia de toda a sequência de reações que constituíram a glicólise, que começa aqui e termina aqui porque o piruvato, como você deve se lembrar, é o produto da glicólise, a primeira etapa. O Ciclo de Krebs acontece, ou às vezes é chamado de Ciclo do Ácido Cítrico. Então, vamos apenas esclarecer essas palavras. Ciclo do ácido cítrico porque acontece de ser um dos ciclos, ou às vezes é chamado de Ciclo de Krebs em homenagem à pessoa que realmente o descobriu, Krebs.

O Ciclo de Krebs começa aqui. Você vê como o sombreamento muda em relação ao piruvato. E aqui vamos nós, todo o caminho até lá. E agora vamos ver o que acontece em termos de troca de energia.

Lembre-se de que, no início, precisávamos investir ATPs para aumentar o estado de energia até aqui. Investimos ATPs neste estágio bem aqui, e então começamos a receber alguns de volta.

Temos esses dois NADHs, um NADH vindo de cada um dos três açúcares de carbono. Temos mais ATPs aqui e mais ATPs aqui, mas esses NADHs não poderiam ser usados ​​produtivamente para gerar ATP na ausência de oxigênio, mas na presença de oxigênio agora podemos começar a usá-los de maneira muito lucrativa. Cada um deles produz três ATPs e cada um deles, obviamente, produz ATPs. E então vamos ver o que acontece na mitocôndria. Tenha em mente que aqui está o limite entre o citosol, o citoplasma e a mitocôndria.

Aqui é onde o oxigênio é realmente usado e aqui geramos todos esses NADHs aqui, aqui e aqui, FADHs. E continuo dizendo, e ainda é verdade, apesar do fato de continuar dizendo, que esses NADHs podem ser convertidos em ATPs, e os ATPs podem então ser difundidos, transmitidos por toda a célula onde são usados ​​investidos em reações endergônicas.

Aqui vemos todos esses NADHs. E veja a mudança geral na energia livre. As etapas iniciais da glicólise realmente não levaram vantagem. A glicose tem inerente quase 680 quilocalorias por mol de energia. É muito alto aqui. Mas quando chegamos daqui, há uma enorme liberação de energia, ela é colhida na forma dessas moléculas que são então reinvestidas.

Na ausência de oxigênio, todo esse procedimento só pode ir daqui até aqui. E muito dessa queda de seis para sete é inútil porque temos que reinvestir esse NADH.

Eles não podem ser usados, na verdade, para gerar mais ATPs, como eu disse várias vezes. Então, isso significa no final que podemos gerar uma enorme quantidade de energia na forma dessas reações acopladas. Dito isso, vamos realmente ver o que acontece dentro das mitocôndrias.

Dentro das mitocôndrias, existem diferentes compartimentos físicos. Vê o espaço azul ali, o espaço intermembrana, os espaços azuis ali? A matriz está do lado de dentro.

O espaço intermembranar está entre os dois, a membrana interna e a externa, e fora está o citoplasma. A membrana externa, a membrana interna, entre ele. Então, veja o que acontece, na verdade, na mitocôndria. Esses NADHs são usados ​​para bombear prótons do espaço interno da mitocôndria para o espaço intermembranar. Eu não estou mostrando isso acontecendo.

Mas você terá que acreditar na minha palavra. Assim, os prótons representados aqui são extraídos do NADH e do FADH e são usados ​​para bombear prótons aqui. E, portanto, os prótons são movidos daqui para aqui.

Obviamente, quando você bombeia prótons para fora, o pH fica mais baixo do lado de fora do que do lado de dentro, e como há um gradiente, há uma concentração maior de prótons aqui do que no lado de dentro.

Os prótons começam a se acumular fora daqui, no espaço intermembrana. Eles estão no citoplasma? Não. Eles estão no espaço entre a membrana interna e a externa. Você começa a acumular neste espaço azul muitos prótons. E esse bombeamento de prótons para o espaço entre as duas membranas requer energia, e a energia vem de nossos amigos NADH e FADH, como se constatou. Eles são responsáveis ​​por causar esse acúmulo de prótons no espaço entre a membrana interna e a externa. Então, agora temos muitos prótons lá fora. E o que acontece agora, os prótons gostam de fluir de volta porque há uma concentração maior aqui, pois eles estão dentro do espaço que é chamado de matriz mitocondrial, no interior da mitocôndria. Então, o que acontece?

Aqui, mais uma descoberta ganhadora do Prêmio Nobel é a descoberta de uma molécula muito interessante, ou complexo de proteínas, devo dizer, que se parece em três dimensões mais ou menos assim.

E o que este complexo faz é conforme os prótons fluem através do canal interno aqui, eles estão se movendo para baixo em um gradiente de energia.

Eles estão indo de um estado de alta concentração para um estado de baixa concentração. O que isso faz, essa pressão difusional realmente produz energia.

E este complexo aqui coleta essa energia para converter ADP em ATP. Então, quando eu falo sobre o NADH como valendo, cada um deles valendo três ATPs, o que estou realmente falando é o fato de que os NADHs podem ser usados ​​para bombear prótons na mitocôndria fora daqui, e esses prótons podem então ser usados , pode então ser bombeado, pode então fluir dessa maneira através dessa bomba de prótons, que então usa ADP na cavidade interna da mitocôndria para criar ATP. E aqui chegamos, finalmente, a conversão de ADP em ATP. Podemos perceber, finalmente, esse benefício tão prometido. E então essas moléculas de ATP são exportadas da mitocôndria para toda a célula e usadas para conduzir muitas reações. Já encontramos um importante conjunto de reações, e essas reações são a polimerização de ácidos nucléicos. Agora, um ponto final que quero fazer é o seguinte. Acabamos de falar sobre metabólica, falamos sobre a via de produção de energia na célula.

E você pode ter tido a ilusão, por um breve instante, de que isso é tudo, essa é a soma de todas as reações bioquímicas na célula. Mas, na verdade, se mapearmos todas as reações bioquímicas na célula, elas serão muito mais complicadas. Aqui está a via glicolítica. Você vê bem aqui onde nada é nomeado? Aqui está o Ciclo de Krebs bem aqui.

E nem estamos falando sobre energia aqui. E conforme as moléculas se movem por este caminho daqui para aqui e aqui para aqui, algumas dessas moléculas são desviadas para outras aplicações.

Não para produção de energia, mas para outras aplicações.

E o que acontece aqui, eles são convertidos por meio de uma série de etapas bioquímicas complexas em outras moléculas biológicas essenciais. O que quero dizer com isso?

Se você der E. coli, uma bactéria, você dá a ela uma fonte de carbono simples como glicose e você dá a ela fosfato e você dá a ela uma fonte de nitrogênio simples como acetato de amônio ou algo, E. coli pode, a partir desses átomos simples gerar todos os aminoácidos, podem gerar as purinas e as pirimidinas, podem gerar todos os tipos de diferentes moléculas biológicas complexas apenas a partir desses blocos de construção simples. E assim, o processo de biossíntese envolve não apenas a criação de macromoléculas, essas etapas do que chamamos de metabolismo intermediário são usadas para sintetizar todas as outras entidades bioquímicas de que precisamos para fazer uma célula. Eles são usados ​​para sintetizar purinas e pirimidinas.

Eles são usados ​​para sintetizar lipídios, são usados ​​para sintetizar aminoácidos e são usados ​​para sintetizar literalmente centenas de outros compostos. E quando vemos este gráfico como este, e ninguém na face do planeta jamais memorizou este gráfico, cada uma dessas etapas, indo de uma molécula a outra, representa outra reação bioquímica. E a grande maioria dessas reações bioquímicas vai de A para B, de C para D.

Cada uma dessas etapas requer a intervenção de uma enzima, um catalisador especializado para aquela etapa específica.

Portanto, isso começa a lhe dar uma noção de quantas etapas bioquímicas distintas são necessárias em uma célula. Os números provavelmente para formar uma célula simples, você provavelmente precisará de cerca de mil reações bioquímicas distintas, cada uma das quais requer o envolvimento de uma enzima. E muitas dessas etapas, o que é importante, muitas dessas etapas bioquímicas são reações endergônicas. De onde eles obtêm a energia para impulsionar essas reações se forem endergônicas? ATP. Então, o ATP da fornalha de geração de energia aqui embaixo é espalhado por toda a célula para alimentar todas essas reações que consomem energia. Tenha um ótimo fim de semana.


Afiliações

Departamento de Biofísica e Howard Hughes Medical Institute, University of Texas Southwestern Medical Center, Dallas, TX, EUA

William Peeples e Michael K. Rosen

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Contribuições

M.K.R. e W.P. concebeu o estudo e desenhou o programa de pesquisa. W.P. realizaram todos os experimentos. M.K.R. garantiu o financiamento e supervisionou o trabalho. W.P. e M.K.R. escreveu o manuscrito.

Autor correspondente


Métodos

Várias etapas subsequentes estão envolvidas na criação de modelos iniciais das vias KEGG. Todas essas etapas são descritas em detalhes nas seções a seguir e representadas como um fluxograma na Figura & # x200B Figura 1 1.

Geração de modelos de biologia de sistemas a partir das vias KEGG. O fluxograma mostra todas as etapas principais envolvidas na criação de modelos iniciais de biologia de sistemas a partir das vias KEGG. Todo o método requer duas fontes: um caminho KEGG formatado em KGML e acesso a outros bancos de dados KEGG, por exemplo, por meio da API KEGG. As etapas de pré-processamento, ilustradas na parte superior, envolvem principalmente a remoção de nós inadequados e processamento de reações. Uma etapa importante é a remoção de entradas duplicadas. No entanto, algumas etapas adicionais requerem informações sobre essas duplicatas (por exemplo, ao usar o pacote de extensão de layout para SBML) e, portanto, nem sempre faz parte do pré-processamento e pode ser executado em um estágio posterior. Dependendo do formato de saída desejado, etapas de processamento separadas são executadas que envolvem conversão apropriada e anotação do modelo inicial.

A linguagem de marcação KEGG (KGML)

KEGG usa o formato KGML para codificar seus caminhos [16]. Para cada caminho, existe um caminho de referência genérico que é derivado para uma infinidade de organismos diferentes. Todos os nós nessas vias correspondem principalmente a proteínas, pequenas moléculas, outras vias ou complexos referenciados e são codificados como entradas no KGML. Essas entradas têm um atributo de tipo que especifica ainda mais sua natureza. Além disso, eles podem ter um atributo gráfico que é essencial para visualizações de caminhos. As entradas correspondentes aos grupos contêm componentes que se referem às suas entradas contidas.

Além das entradas, o KGML especifica reações, que contêm substratos e produtos que são essencialmente referências às entradas correspondentes. A única informação adicional fornecida para as reações é um atributo de tipo, que é & # x02018reversível & # x02019 ou & # x02018irreversível & # x02019. Além disso, KEGG especifica relações, que são principalmente importantes para a visualização de vias de sinalização. As relações contêm conexões de rede entre duas entradas, como & # x0201cA fosforila B & # x0201d ou & # x0201cA inibe B & # x0201d, mas não fornecem informações suficientes para conversões para completar as reações bioquímicas.

Pré-processamento e correção de problemas no KGML de entrada

Antes de converter os caminhos KEGG para outras linguagens de modelagem, vários problemas precisam ser corrigidos nas etapas de pré-processamento diretamente no KGML de entrada. Isso inclui operações que envolvem adicionar ou remover entradas do documento KGML, bem como processar reações contidas. A conversão real em modelos é independente dessas etapas e é realizada após o pré-processamento. Para gerar modelos confiáveis, pode-se desejar remover links para outros mapas de caminhos do documento. Esses mapas de caminhos referenciados não são instâncias físicas e, portanto, precisam ser ignorados por algum software de simulação de modelo. No entanto, eles podem ser necessários para as vias de cross-linking. Além disso, os órfãos (ou seja, entradas que não estão presentes nas reações ou relações) podem ser inúteis para algumas abordagens de modelagem e, portanto, também podem ser removidos. Um passo importante para a construção de modelos metabólicos são as reações bioquímicas corretas. As reações especificadas no KGML requerem um pré-processamento significativo para serem traduzidos de forma confiável para SBML ou BioPAX. As vias KGML geralmente contêm objetos de reação XML únicos que apontam para várias reações bioquímicas diferentes no banco de dados KEGG REACTION. Essas reações agrupadas devem ser desmontadas em objetos de reação separados no documento XML, a fim de obter um modelo com reações bioquímicas equilibradas e corretas. Como as informações fornecidas no KGML são limitadas, a API KEGG precisa ser consultada para etapas de correção adicionais. A partir da API KEGG, as informações sobre a reversibilidade da reação são recuperadas, bem como a equação da reação, incluindo todos os substratos, produtos, catalisadores e informações estequiométricas. A reversibilidade é anotada diretamente na reação, as informações estequiométricas devem ser armazenadas em classes separadas, que são posteriormente traduzidas para o formato de saída desejado. A equação é usada para verificar os participantes da reação em falta. Mas simplesmente comparar todos os identificadores KEGG que estão presentes no KGML à equação de reação não é adequado. KEGG consiste em muitos bancos de dados separados que contêm informações sobre compostos, drogas, glicanos, etc.Portanto, um composto pode ter múltiplos identificadores KEGG, por exemplo, um no COMPOSTO KEGG e outro no DROGA KEGG. As equações de reação especificam apenas um identificador para cada participante, que é qualquer um de todos os identificadores disponíveis para um objeto. Portanto, mais consultas à API KEGG são necessárias para buscar todos os sinônimos para todos os identificadores. Agora, é possível comparar todos os reagentes aos componentes da via, verificar se há participantes da reação em falta e, eventualmente, adicioná-los ao KGML. Um método semelhante é necessário para verificar se há enzimas ausentes (ou seja, modificadores de reação) & # x02014; usamos os números da Comissão de Enzimas (números EC) para verificar se há enzimas ausentes.

Uma última etapa importante de pré-processamento pode ser realizada antes de converter os caminhos em modelos. O banco de dados KEGG usa informações sobre ortologia para fornecer mapas de vias para diferentes organismos. As enzimas, reações catalisadoras, são anotadas usando números EC, que são independentes dos organismos reais. Em alguns casos, isso leva a enzimas anotadas ou entradas no KGML, para as quais nenhuma instância física no organismo de interesse atual é conhecida. Em outras palavras, a entrada provavelmente não existe no organismo atual ou sua existência ainda não foi comprovada. Para visualizar essas informações, o KEGG altera a cor de fundo desses nós ortólogos para branco. Esses nódulos também devem ser removidos a fim de se obter modelos específicos do organismo.

Balanço de átomos de reações

Após a etapa de pré-processamento descrita, o documento KGML contém reações desagregadas e completas, para as quais a equação e a estequiometria foram anotadas. Usando a API KEGG, a fórmula química de cada composto que participa de uma reação pode ser obtida. Ao usar essas informações em conjunto com a estequiometria, é possível contar e comparar todos os átomos do substrato e do lado do produto. Há algumas propriedades adicionais que precisam ser consideradas: Um & # x02018R & # x02019 genérico às vezes é usado no substrato e no lado do produto para indicar qualquer substituinte. Variáveis ​​como n e n+1 são usados ​​por KEGG para criar reações mais genéricas. Durante nossos testes, detectamos alguns casos simples, nos quais um H + ou P + estava faltando, mas também alguns outros casos, nos quais vários átomos (por exemplo, 2 C, 3 H e 1 P) estavam faltando. A correção automática desses problemas não é recomendada, porque os componentes reais ausentes são desconhecidos. Por exemplo, se um P + estiver faltando no lado do substrato, compostos maiores podem estar faltando em qualquer lado da reação. As possibilidades de componentes ausentes em ambos os lados incluem ATP & # x02192 ADP, NADPH & # x02192 NADH e muitos outros. Portanto, nossa implementação anexa o resultado de cada verificação de átomo como comentário em cada reação e os pesquisadores podem ter que corrigir manualmente as reações com átomos ausentes.

Conversão e anotação do documento KGML

O documento KGML concluído e corrigido agora pode ser usado para gerar modelos. Portanto, são necessárias conversões para BioPAX, SBML, SBML-qual e vários outros formatos. Normalmente, a instância do modelo deve ser inicializada e todas as entradas devem ser adicionadas ao modelo. É necessário ter cuidado nesta etapa, porque várias cópias de uma entrada podem existir em um documento KGML. Normalmente, cada cópia gráfica catalisa reações diferentes. Mas para modelos de biologia de sistemas, apenas um elemento deve ser criado para todas as cópias, representando uma união de todas as entradas fisicamente idênticas. Além disso, KGML especifica um tipo de entrada chamado & # x02018reaction & # x02019, que não deve ser convertido em uma entidade física no modelo resultante. Dependendo da linguagem de modelagem, as reações ou as relações ou ambas precisam ser convertidas para o formato escolhido.

Além dessas etapas de conversão, operações adicionais são necessárias para facilitar os esforços de modelagem adicionais por parte dos pesquisadores. Isso inclui anotações e comentários extensos para todos os elementos. Assim, os termos da Ontologia Genética, que descrevem os elementos e sua função, bem como identificadores para uma infinidade de outros bancos de dados de genes, proteínas, interações, informações estruturais, pequenas moléculas, etc., são adicionados ao modelo. Em mais detalhes, os identificadores são adicionados para Entrez Gene, OMIM, Ensembl, UniProt, ChEBI, DrugBank, Gene Ontology, HGNC, PubChem, 3DMET, NCBI Taxonomy, PDBeChem, GlycomeDB, LipidBank, números de EC (nomenclatura de enzima) e vários bancos de dados KEGG ( GENE, GLICANO, REAÇÃO, COMPOSTO, DROGA, CAMINHO, ORTOLOGIA). Além dessas referências cruzadas, outras anotações legíveis por máquina e humanos úteis são adicionadas, por exemplo, símbolos genéticos oficiais, sinônimos, descrições legíveis por humanos, links para mais recursos ou visualizações e a fórmula química e peso molecular para moléculas pequenas.

A anotação dos modelos é uma etapa importante, pois simulações em dados reais ou ferramentas simples de visualização de dados experimentais requerem identificadores únicos para mapear os dados experimentais na estrutura do caminho. Se os modelos fornecem uma estrutura de dados simples com rótulos, mas sem identificadores de referência, eles dificilmente podem ser usados ​​em conjunto com dados experimentais.

KEGG para BioPAX

Hoje, o Nível 3 é o nível mais recente do BioPAX. Mas o Nível 2 ainda é comum e há algumas estruturas de dados no Nível 3 que não estão disponíveis no Nível 2. Portanto, conversores separados para o BioPAX Nível 2 e para o Nível 3 são necessários. Em primeiro lugar, um modelo BioPAX deve ser criado e um objeto de caminho, correspondente ao KGML de entrada, deve ser adicionado ao modelo. Em seguida, várias anotações e referências cruzadas são definidas para este caminho. Isso inclui, por exemplo, o organismo, referências cruzadas a outros bancos de dados e termos da Ontologia Genética para definir a função do caminho & # x02019s. A próxima etapa envolve o mapeamento de cada elemento KGML para um elemento BioPAX correspondente. Figura & # x200B A Figura 2 2 oferece uma visão geral desses mapeamentos.

Estrutura de classe simplificada e mapeamento de KGML para BioPAX. A figura mostra o mapeamento bruto de KGML para instâncias de classe BioPAX. O atributo type de cada entrada determina como ela é traduzida (consulte a Tabela & # x200B Tabela1). 1). As reações que são catalisadas por enzimas são traduzidas em Catálise, enquanto as reações não catalisadas são traduzidas diretamente em BiochemicalReaction s. As relações são traduzidas de maneira diferente, dependendo de seu subtipo, das entidades participantes e do nível de BioPAX escolhido (consulte a Tabela & # x200B Tabela 2). 2). Para manter a clareza, a figura não inclui as informações que no BioPAX Nível 2, o controle e a conversão herdam da interação física. Além disso, uma Catalysis consiste em dois elementos: um controlador e um elemento controlado. Para nossos propósitos, Controlador é sempre uma enzima e Controlado é uma Reação Bioquímica. Da mesma forma, as relações KGML podem ser traduzidas para um elemento Control que regula uma Conversion ou TemplateReaction.

Tendo o modelo de caminho inicial, a próxima etapa é criar elementos BioPAX para cada entrada KGML. Esta tradução depende principalmente do tipo de entrada KGML e está listada em detalhes na Tabela & # x200B Tabela1. 1 As entradas com o mesmo identificador (cópias gráficas do mesmo elemento) são agrupadas em uma instância e apenas um elemento BioPAX é criado para elas. Dependendo do elemento BioPAX recém-criado, outras etapas de anotação são necessárias. Para sistemas complexos, precisamos adicionar todos os seus componentes. Para SmallMolecule s, adicionamos o peso molecular e a fórmula química aos campos BioPAX correspondentes, o que facilita as etapas de modelagem posteriores. Para cada elemento, referências cruzadas a outros bancos de dados e mais anotações são adicionadas conforme descrito na seção anterior.

Tabela 1

Instâncias do BioPAX e termos SBO correspondentes aos tipos de entrada KGML

Tipo de entradaElemento BioPAXTermo SBO
composto smallMolecule 247 (produto químico simples)
enzima proteína 252 (cadeia polipeptídica)
gene proteína 252 (cadeia polipeptídica)
ortólogo proteína 252 (cadeia polipeptídica)
grupo complexo 253 (complexo não covalente)
mapacaminho552 (anotação de referência)

Esta tabela descreve a conversão de entradas KGML em BioPAX ou SBML. A conversão depende do atributo de tipo de entrada KGML. Para BioPAX, diferentes instâncias de classe são inicializadas. As conversões para SBML sempre envolvem a criação de uma espécie com o termo SBO fornecido para cada entrada do KGML. A especificação KGML afirma que uma entrada do tipo & # x02018gene & # x02019 & # x0201c é um produto do gene (principalmente uma proteína) & # x0201d. Além disso, um & # x02018group & # x02019 & # x0201cis um complexo de produtos gênicos (principalmente um complexo de proteína) & # x0201d [16]. Para compatibilidade com versões anteriores do KGML, o tipo obsoleto & # x02018genes & # x02019 corresponde a & # x02018group & # x02019 desde o KGML v0.6.1. Além disso, as entradas do tipo & # x02018reaction & # x02019 não são listadas na tabela, mas discutidas em uma seção separada.

As reações KEGG sempre correspondem a reações bioquímicas. Portanto, uma BiochemicalReaction é a estrutura de dados apropriada para essas reações e uma instância dessa classe é criada para cada reação KGML. Se as enzimas catalisadoras forem anotadas, uma instância Catalysis será criada. Esta catálise catalisa enzimas como controladores e a reação bioquímica como elemento controlado. A reação é anotada com a direção da reação e se é reversível ou não. Além disso, a estequiometria de cada participante é anotada, bem como os números de EC de todas as enzimas catalisadoras. Mesmo às reações, são acrescentadas informações de apoio legíveis por humanos, como a equação da reação, outras vias nas quais essa reação também ocorre e uma descrição genérica. Além disso, o resultado da verificação do equilíbrio do átomo é adicionado como comentário adicional, juntamente com informações abrangentes sobre quais átomos estão no lado do substrato, quais estão no lado do produto e a diferença entre eles.

Além das reações bioquímicas, o BioPAX também oferece suporte a outros tipos de relacionamento entre entidades. Isso inclui elementos universais, como Conversion s ou MolecularInteraction s, que são convenientes para traduzir relações KEGG genéricas que não fornecem muitas informações. Relações do tipo & # x02018ativação & # x02019, & # x02018inibição & # x02019 ou & # x02018 interação ausente & # x02019 constituem exemplos para tais traduções genéricas. A diferença entre eles é que Conversion s pode ser usado para especificar uma origem e um destino, enquanto MolecularInteraction s (que é o mesmo que PhysicalInteraction s no BioPAX Nível 2) tem apenas um único pool de entidades participantes. Outras relações KEGG podem ser convertidas em classes de interação BioPAX mais específicas. Um ComplexAssembly, por exemplo, é usado para expressar uma ligação entre vários elementos, mas também para uma dissociação de elementos. No entanto, o uso desta classe requer que o produto ou substrato fornecido (em uma desmontagem) seja um Complexo. Se esses requisitos não forem atendidos, uma conversão genérica é usada. As relações que envolvem a modificação de uma proteína são traduzidas apropriadamente para BioPAX criando processos controlados. Isso envolve a criação de um elemento de controle que contém um processo e um controlador que regula este processo. Isso é usado para traduzir relações que descrevem, por exemplo, uma fosforilação.

Para tanto, é gerada uma Conversão, que contém a proteína não fosforilada como fonte e uma variante fosforilada como alvo. Esta conversão é controlada por uma instância de Controller que contém a proteína controladora.

No BioPAX Nível 3, algumas melhorias adicionais das traduções são realizadas, como codificação de fosforilação ou outras modificações adicionando um ModificationFeature a uma entidade. Além disso, a expressão de uma proteína pode ser codificada com um TemplateReaction. Este tipo de interação é usado para descrever a produção de um RNA ou proteína a partir de uma sequência modelo. Este processo é regulado por um TemplateReactionRegulation que contém principalmente um fator de transcrição como regulador. No KEGG, isso é especificado por uma relação que contém o fator de transcrição como fonte, a proteína como alvo e o termo & # x02018 expressão & # x02019 como subtipo.

Um InteractionVocabulary é criado para cada relação traduzida que especifica o tipo de interação como termo de vocabulário controlado e string legível por humanos. Para tanto, são utilizados termos da Ontologia de Biologia de Sistemas (SBO) [17], Ontologia Genética (GO) [18] e Ontologia de Interações Moleculares (MI) [19]. As modificações de proteínas são ainda denotadas por um SequenceModificationVocabulary no BioPAX Nível 3, que usa termos da Protein Modification Ontology (MOD) [20]. Tabela & # x200B A Tabela2 2 mostra em detalhes como cada relação é convertida e quais termos de ontologia estão sendo usados.

Mesa 2

Instâncias e termos de ontologia do BioPAX correspondentes aos subtipos de relação do KGML

Subtipo de relaçãoElemento BioPAXTermo SBOTermo de MITermo GO
ativação conversão, controle 170 (estimulação) NenhumNenhum
inibição conversão, controle 169 (inibição) NenhumNenhum
expressão TemplateReaction, -Regulation 170 (estimulação) Nenhum10467
repressão TemplateReaction, -Regulation 169 (inibição) NenhumNenhum
efeito indireto conversão 344 (interação molecular) NenhumNenhum
mudança de estado conversão 168 (controle) NenhumNenhum
ligação / associação ComplexAssembly 177 (ligação não covalente) 914 5488
dissociação ComplexAssembly 180 (dissociação) NenhumNenhum
falta de interação MolecularInteraction 396 (processo incerto) NenhumNenhum
fosforilação conversão, controle 216 (fosforilação) 217 16310
desfosforilação conversão, controle 330 (desfosforilação) 203 16311
glicosilação conversão, controle 217 (glicosilação) 559 70085
ubiquitinação conversão, controle 224 (ubiquitinação) 220 16567
metilaçãoconversão, controle214 (metilação)21332259

Esta tabela mostra como as relações são tratadas durante a conversão para BioPAX ou SBML. A conversão depende do subtipo de cada relação. Para cada subtipo, o elemento BioPAX correspondente, bem como termos de diferentes ontologias são especificados. Ao converter para BioPAX, todos os termos são anotados como uma instância de InteractionVocabulary, enquanto uma transição SBML tem um campo para o termo SBO e outros termos são adicionados como vocabulários controlados na transição. Observe que alguns elementos do BioPAX estão sujeitos a certas condições e outros precisam ser substituídos por classes mais genéricas no BioPAX Nível 2, devido a diferenças em ambas as versões. Consulte a seção KEGG para BioPAX para obter mais detalhes.

KEGG para SBML

Mesmo que não seja a versão mais recente do SBML, o Nível 2 Versão 4 ainda é usado em muitos aplicativos e, portanto, deve ser compatível com a conversão de modelos metabólicos. A versão mais recente do SBML Nível 3 apresenta pacotes de extensão e deve incluir modelos qualitativos (qual), grupos e informações de layout no documento, que são essenciais para modelar caminhos de sinalização. À primeira vista, a conversão de KGML em SBML parece ser simples. Isso também é sugerido pelo esquema de mapeamento, representado na Figura & # x200B Figura3. 3 Mas no SBML, a distinção entre vários tipos de relação ou entrada não é feita usando diferentes instâncias de classe, como no BioPAX, mas usando pares especiais de atributo-valor, como termos SBO. KEGG define entradas e um tipo de entrada, que especifica se a entrada corresponde a uma proteína, complexo, molécula pequena, mapa de caminho referenciado ou algum outro tipo. O BioPAX oferece diferentes classes para distinguir entre esses tipos. SBML, semelhante ao KGML, apenas tem uma classe chamada species para codificar todas essas entradas. O tipo de espécie deve ser especificado usando termos da Systems Biology Ontology (SBO) [17]. Esses termos SBO são organizados hierarquicamente e apenas os termos SBO da filial & # x02018entidade material & # x02019 devem ser usados ​​para codificar as entidades. A Tabela & # x200B A Tabela 1 1 mostra quais termos SBO são mais apropriados para codificar as diferentes entradas KGML. Além disso, como nas traduções do BioPAX, é importante agrupar cópias gráficas das mesmas entradas em um elemento e criar apenas um elemento de espécie para essa entrada. Para tornar o modelo utilizável para aplicações futuras, extensas anotações e referências a outros bancos de dados são adicionadas, usando termos de vocabulário controlado padronizado (CV) e identificadores MIRIAM [21,22]. Além disso, uma descrição, vários sinônimos, o número CAS, fórmula química, uma imagem de referência (fórmula estrutural para compostos, imagem do mapa da via para vias), peso molecular e massa são adicionados como anotação legível por humanos, se disponível.

Estrutura de classe simplificada e mapeamento de KGML para SBML. Este mapeamento inclui os modelos qualitativos SBML (qual) e pacotes de extensão de grupos. A maioria das propriedades são codificadas como atributos nas classes reais. Tabelas & # x200B As tabelas 1 1 e & # x200B e 2 2 fornecem mais detalhes sobre a tradução de entradas e relações. SBML só pode lidar com reações. Portanto, SBML-qual é necessário para codificar adequadamente as relações. Este pacote de extensão requer seu próprio modelo. Posteriormente, o modelo SBML-core e cada espécie devem ser duplicados para obter um modelo qualitativo incluindo as relações traduzidas. Além disso, o pacote de extensão de grupos pode ser usado para uma codificação adequada de grupos em SBML.

Os grupos não são suportados pelo SBML-core. Para codificar entradas do tipo & # x02018group & # x02019 no SBML Nível 3, pode-se usar o pacote de extensão de grupos [23]. Para codificar grupos em SBML antes do Nível 3, a única maneira são anotações, por exemplo, adicionando um termo de CV com um qualificador BQB_IS_ENCODED_BY ou BQB_HAS_PART que especifica o conteúdo do grupo. Em qualquer caso, um termo SBO também deve ser usado, o que marca esta espécie como um complexo de múltiplas outras espécies.

As reações KEGG são convertidas em reações SBML com os termos SBO corretos para substratos (SBO: 0000015) e produtos (SBO: 0000011). Se a reação for reversível, um termo SBO de reagente genérico (SBO: 0000010) deve ser aplicado a todos os participantes da reação. Além disso, a reversibilidade é anotada na própria reação e a estequiometria é anotada em todos os participantes da reação. As enzimas catalisadoras são incluídas como ModifierSpeciesReference e os termos CV, referindo-se ao identificador da reação KEGG, bem como todas as vias nas quais essa reação ocorre, são adicionados. As anotações legíveis por humanos nas reações incluem a definição da reação, equação, uma referência à equação da reação como imagem HTML e o resultado da verificação do equilíbrio do átomo (ou seja, se houver átomos ausentes na reação).

As relações são necessárias para codificar as vias de sinalização, mas não podem ser incluídas corretamente no SBML central. Não há estrutura que codifique, por exemplo, & # x0201cA ativa B & # x0201d & # x02014; podemos apenas adicionar reações ao SBML.Para o SBML Nível 3, o pacote de extensão de modelos qualitativos (qual) recentemente proposto resolve este problema [24]. Esta extensão é projetada para modelagem qualitativa e permite a modelagem de relacionamentos que não podem ser descritos em detalhes. Assim, para codificar as relações KEGG, temos que converter o modelo para um modelo qualitativo e criar uma transição qualitativa para cada relação. Um termo SBO, conforme fornecido na Tabela & # x200B Tabela2, 2, é atribuído à transição para especificar seu tipo. Um termo GO, mencionado na mesma tabela, é adicionalmente adicionado como termo CV na transição.

Outras características do KGML

Entradas KGML que são reações

A especificação KGML permite que as entradas tenham um tipo chamado & # x02018reaction & # x02019. Isso pode ser usado, por exemplo, para permitir que uma relação aponte para uma reação. Na verdade, o KGML só permite que as entradas sejam alvos de relações, mas essas construções podem ser usadas para relaxar as restrições. No entanto, o BioPAX permite naturalmente que as interações apontem para outras interações como fontes ou alvos. Portanto, a estrutura do documento não será invalidada se as entradas com o tipo & # x02018reaction & # x02019 forem convertidas em reações reais no BioPAX e cada uso dessa entrada for substituído pelo uso da reação BioPAX.

No SBML, essas entradas também são convertidas em reações. Nenhuma espécie é criada para entradas com o tipo & # x02018reaction & # x02019 no SBML-core. Para SBML-qual, a especificação tem requisitos semelhantes aos KGML: todas as transições devem ter qualitativeSpecies como fontes ou destinos. Portanto, para SBML-qual a tradução é semelhante ao KGML de origem e um qualitativeSpecies com anotação adequada é criado para entradas com o tipo & # x02018reaction & # x02019.

Relações de subtipo & # x02018compound & # x02019

Alguns documentos KGML incluem reações e relações exclusivamente do subtipo & # x02018compound & # x02019. Essas relações compostas são principalmente relações entre enzimas e compostos. KEGG afirma que este composto é & # x0201cshared com duas reações sucessivas [& # x02026] & # x0201d [16]. Em outras palavras, essas relações são cópias de reações que foram criadas pelo KEGG para uma melhor representação gráfica da via. Assim, a tradução de ambas, as reações e as relações compostas, produziria informações duplicadas.

Documentos com glicanos em vez de compostos

Às vezes, KGML especifica glicanos como participantes da reação em vez de compostos. Na verdade, não há nada de errado com isso, exceto que a API KEGG geralmente retorna equações de reação com identificadores de compostos e alguns atributos, como fórmula química ou peso molecular, estão disponíveis exclusivamente para compostos. Isso leva a reações que são erroneamente detectadas como incorretas ou a fórmulas químicas ausentes. Portanto, se um identificador de composto sinônimo estiver disponível para um glicano KEGG ou outro identificador de banco de dados KEGG que contenha sinônimos em COMPOSTO DE KEGG, é aconselhável buscar e trabalhar internamente com o identificador de composto. Caso contrário, é muito provável que duplicatas das mesmas entradas, mas com identificadores diferentes, sejam criadas em um modelo e alguns relacionamentos não sejam resolvidos corretamente.

Implementação e disponibilidade

Todos os métodos descritos são implementados na segunda versão do KEGGtranslator (desde a versão 2.2). O aplicativo usa e inclui Paxtools, uma biblioteca Java & # x02122 para trabalhar com BioPAX que facilita a construção e gravação da estrutura de dados BioPAX interna (http://www.biopax.org/paxtools.php). Para estabelecer a estrutura de dados SBML, KEGGtranslator usa a biblioteca Java & # x02122 JSBML [25] e suporta SBML Nível 2 Versão 4 [26] e SBML Nível 3 Versão 1 [27].

KEGGtranslator é implementado em Java & # x02122, fornece uma interface gráfica do usuário (GUI) interativa, amigável e fácil de usar e está disponível gratuitamente sob a licença LGPL versão 3 em http: //www.cogsys.cs.uni -tuebingen.de/software/KEGGtranslator/. Os caminhos do KGML podem ser baixados automaticamente de dentro do KEGGtranslator. O aplicativo pode converter caminhos KEGG de arquivos KGML para BioPAX Nível 2, BioPAX Nível 3, SBML (core), SBML (qual) ou SBML-core e -qual em um modelo. Se desejado, representações gráficas podem ser criadas em SBGN, SIF, GML, GraphML, JPG e alguns outros formatos. Além disso, são fornecidas muitas opções que controlam o (pré-) processamento descrito das conversões KEGG e permitem que os usuários personalizem os modelos gerados para atender a um grande número de requisitos diferentes.


PRINCÍPIOS E APLICAÇÕES EM MICOLOGIA E PARASITOLOGIA

A capacidade de identificar microrganismos com precisão é fundamental para todos os aspectos da epidemiologia e diagnóstico dos fungos. Em fitopatologia, a identificação precoce de agentes causadores de doenças é essencial para o reconhecimento de patógenos (60). Nos últimos dez anos, avanços foram feitos no diagnóstico molecular de fungos por meio da tecnologia de PCR. Ao contrário dos métodos convencionais, as amostras podem ser testadas diretamente por PCR e isoladas sem a necessidade de culturas. A técnica é rápida e altamente específica. Ele pode ser usado para detectar traços de DNA de fungos em amostras ambientais antes que os sintomas ocorram. Portanto, permite a implementação de métodos de controle precoce de doenças. A PCR pode ser realizada rotineiramente e não requer habilidade especializada para interpretar os resultados. A tecnologia também pode oferecer dados quantitativos mais precisos, fornecendo informações adicionais necessárias para a tomada de decisões e a avaliação da eficácia dos agentes fúngicos no controle biológico. Desde a sua introdução em meados dos anos 80, o PCR tornou-se a pedra angular da tecnologia de DNA e abriu o caminho para a criação de inúmeras tecnologias associadas. É notável por sua capacidade de detectar quantidades de DNA amplificado a partir de uma ou poucas sequências originais. O PCR convencional não é quantitativo, mas qualitativo. Tem sido usado para detectar, monitorar e identificar fungos de um conjunto completo de amostras ambientais e é o núcleo do diagnóstico molecular de fungos (4).

PCR fluorescente no local utiliza iniciadores marcados com fluorescência ou sondas para detectar e localizar fungos em amostras ambientais fixas após semipermeabilização (102). A fluorescência dos primers ou sondas é detectada usando um microscópio confocal. Esta técnica permite a detecção direta do organismo na amostra. Ele também mostra a distribuição espacial, as interações com o hospedeiro e outros organismos. Bago, Piche, Simon (5) usado no local PCR para detectar e localizar infecções causadas por fungos Arbuscular Mycorrhiza. O escopo do PCR é infinito (5). Pode ser usado para investigar uma única espécie ou comunidades inteiras (22,35,80).

Pneumocystis jiroveci (um fungo anteriormente denominado Pneumocystis carinii) pode causar pneumonia grave em pacientes infectados com HIV ou imunossuprimidos, mas sua detecção é restrita à microscopia de amostras no trato respiratório. Microscopia para a detecção de P. jiroveci geralmente envolve o uso de manchas. A imunofluorescência é mais sensível do que essas manchas, mas é mais cara e requer instalações especializadas. A PCR é mais sensível, especialmente em pacientes não infectados pelo HIV e, portanto, pode ser de considerável utilidade (36). A especificidade da PCR é limitada, mas como esse microrganismo é um comensal onipresente, pode ser detectado por PCR na ausência da doença (37).

Outro exemplo do uso da tecnologia de PCR em micologia é na detecção de infecção de Aspergillus ssp. em pacientes com neutropenia. Esta doença é notoriamente difícil de diagnosticar devido à pouca sensibilidade do método de cultura e à dificuldade de encontrar espécimes histopatológicos em indivíduos com baixa contagem de plaquetas. O tratamento precoce é essencial para alcançar os melhores resultados. A PCR pode reduzir o tempo necessário para o diagnóstico específico (111). A PCR em tempo real tem sido usada com sucesso para quantificar o número de patógenos (7,13,21,112), auxiliando nas decisões sobre como tratar doenças fúngicas e avaliar os efeitos dos fungos (57).

O diagnóstico parasitológico pode ser auxiliado por métodos moleculares. Muitos parasitas não são cultiváveis ​​em laboratório e o diagnóstico se baseia principalmente em sorologia e microscopia relativamente menos sensível. A microscopia continua a ser um suporte para o diagnóstico da malária, mas devido à sua maior sensibilidade, a PCR pode diagnosticar esta doença mesmo em situações difíceis. As espécies de Plasmodium também podem ser detectadas em diferentes infecções, o que pode dificultar o discernimento microscópico (99)


Enzimas e reações bioquímicas

A maioria das reações químicas dentro dos organismos seria impossível nas condições das células. Por exemplo, a temperatura corporal da maioria dos organismos é muito baixa para que as reações ocorram com rapidez suficiente para realizar os processos vitais. Os reagentes também podem estar presentes em concentrações tão baixas que é improvável que se encontrem e colidam. Portanto, a taxa da maioria das reações bioquímicas deve ser aumentada por um catalisador. UMA catalisador é um produto químico que acelera as reações químicas. Nos organismos, os catalisadores são chamados enzimas. Essencialmente, as enzimas são catalisadores biológicos.

Como outros catalisadores, as enzimas não são reagentes nas reações que controlam. Eles ajudam os reagentes a interagir, mas não são usados ​​nas reações. Em vez disso, eles podem ser usados ​​repetidamente. Ao contrário de outros catalisadores, as enzimas são geralmente altamente específicas para determinadas reações químicas. Eles geralmente catalisam apenas um ou alguns tipos de reações.

As enzimas são extremamente eficientes para acelerar as reações. Eles podem catalisar até vários milhões de reações por segundo. Como resultado, a diferença nas taxas de reações bioquímicas com e sem enzimas pode ser enorme. Uma reação bioquímica típica pode levar horas ou mesmo dias para ocorrer em condições celulares normais sem uma enzima, mas menos de um segundo com uma enzima.

A figura ( PageIndex <1> ) representa um diagrama de uma reação enzimática típica. UMA substrato é a molécula ou moléculas sobre as quais a enzima atua. Na reação catalisada por urease, a ureia é o substrato.

Figura ( PageIndex <1> ): A sequência de etapas para um substrato se ligar a uma enzima em seu sítio ativo, reagindo e sendo então liberado como produto.

A primeira etapa da reação é que o substrato se ligue a uma parte específica da molécula da enzima, conhecida como sítio ativo. A ligação do substrato é ditada pela forma de cada molécula. As cadeias laterais da enzima interagem com o substrato de uma maneira específica, resultando na formação e quebra de ligações. o Site ativo é o local em uma enzima onde o substrato se liga. Uma enzima se dobra de tal maneira que normalmente tem um sítio ativo, geralmente uma bolsa ou fenda formada pelo padrão de dobramento da proteína. Como o sítio ativo de uma enzima tem uma forma única, apenas um substrato específico é capaz de se ligar a essa enzima. Em outras palavras, cada enzima catalisa apenas uma reação química com apenas um substrato. Uma vez que o complexo enzima / substrato é formado, a reação ocorre e o substrato é transformado em produtos. Finalmente, a molécula ou moléculas do produto são liberadas do sítio ativo. Observe que a enzima não é afetada pela reação e agora é capaz de catalisar a reação de outra molécula de substrato.

Para muitas enzimas, o sítio ativo segue um fechadura e chave (A na figura abaixo) modelo em que o substrato se ajusta exatamente ao local ativo. A enzima e o substrato devem ser uma combinação perfeita para que a enzima funcione apenas como um catalisador para uma reação. Outras enzimas têm um ajuste induzido (B na figura abaixo) modelo. Em um modelo de ajuste induzido, o local ativo pode fazer pequenos ajustes para acomodar o substrato. Isso resulta em uma enzima capaz de interagir com um pequeno grupo de substratos semelhantes. Observe a forma do sítio ativo em comparação com a forma do substrato em B da figura abaixo. O local ativo se ajusta para acomodar o substrato.

Figura ( PageIndex <2> ): (A) Modelo de enzima chave e fechadura e (B) modelo de enzima de ajuste induzido.


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Enzimas

As enzimas são proteínas que têm a capacidade de se ligar ao substrato em seu sítio ativo e, em seguida, modificar quimicamente o substrato ligado, convertendo-o em uma molécula diferente - o produtos da reação. Substratos ligam-se a enzimas assim como ligantes ligam-se a proteínas. No entanto, quando os substratos se ligam às enzimas, eles sofrem uma mudança química induzida por enzimas e são convertidos em produtos.

Figura 4. Compare a interação proteína-ligante com a interação enzima-substrato. Observe que tanto as proteínas de ligação quanto as enzimas têm sítios de ligação para seus ligantes (L) e substratos (S), respectivamente. Esta área da enzima é chamada de sítio ativo porque também contém aminoácidos que são importantes para a conversão de substrato em produto.

O substrato se liga à enzima, interagindo com aminoácidos no local de ligação. O local de ligação nas enzimas é muitas vezes referido como o Site ativo porque contém aminoácidos que se ligam ao substrato e auxiliam na sua conversão em produto.

Muitas vezes você pode reconhecer que uma proteína é uma enzima por seu nome. Muitos nomes de enzimas terminam com & # 8211ase. Por exemplo, a enzima lactase é usada para quebrar o açúcar lactose, encontrado no leite de mamífero. Outras enzimas são conhecidas por um nome comum, como pepsina, que é uma enzima que auxilia na digestão de proteínas no estômago, quebrando as ligações peptídicas nas proteínas.

As enzimas são catalisadores, o que significa que fazem uma reação mais rápida, mas as próprias enzimas não são alteradas pela reação geral. Examine esta imagem para ver como as enzimas funcionam.

Figura 5. Reação enzimática simplificada. O substrato se liga reversivelmente ao sítio ativo da enzima, formando o complexo enzima-substrato (ES). O substrato ligado é convertido em produto por grupos catalíticos no sítio ativo, formando o complexo enzima-produto (EP). Os produtos ligados são liberados, retornando a enzima à sua forma não ligada, pronta para catalisar outra rodada de conversão de substrato em produto.

Os aminoácidos no sítio ativo das enzimas desempenham dois papéis e, às vezes, esses papéis se sobrepõem. Alguns dos aminoácidos do sítio ativo são responsáveis ​​pela ligação do substrato e outros são responsáveis ​​por facilitar a reação química. Em geral, as enzimas são bastante específicas para seus substratos. Embora lactase e pepsina catalisem o mesmo tipo de reação, quebrando uma ligação usando água (hidrólise: & # 8220hydro & # 8221 significa & # 8220water & # 8221 e & # 8220lysis & # 8221 significa & # 8220para quebrar & # 8221), a lactase só funciona quando a lactose é o seu substrato e a pepsina só pode quebrar as ligações peptídicas.

Pergunta Prática

Dois substratos - lactose e uma proteína curta - são mostrados à esquerda. Duas enzimas são mostradas à direita, marcadas A e B. Qual das duas enzimas é lactase?


Como funcionam as enzimas

Figura 6. Diagrama de uma reação catalítica mostrando a diferença na energia de ativação na reação não catalisada e catalisada. A enzima reduz a barreira de energia necessária para ativar o substrato, permitindo que mais substratos sejam ativados, o que aumenta a taxa de formação do produto. Observe que a diferença de energia entre o substrato e o produto não é alterada pela enzima.

Em todas as reações químicas, há uma entrada inicial de energia necessária antes que a reação ocorra. Se essa necessidade de energia inicial (chamada de energia de ativação ou barreira de energia) for pequena, a reação acontecerá de forma rápida e fácil. Se a energia de ativação for grande, a reação demorará mais para ocorrer. As enzimas funcionam para reduzir a energia de ativação necessária para que uma reação química ocorra.

Primeiro, a enzima se liga ao substrato e distorce levemente sua forma. A mudança na forma ativa a molécula do substrato e diminui a energia de ativação total necessária para que o substrato se transforme em produto. Conforme o número de moléculas de substrato ativadas aumenta, também aumenta a conversão de substrato em produto. Uma analogia para esse efeito é uma colina de esqui, com esquiadores na parte inferior de um lado da colina representando substratos, esquiadores no topo da colina representando substratos ativados e os produtos sendo o número de esquiadores que esquiam pelo outro lado. Se a altura da colina for reduzida (devido à presença da enzima), então mais esquiadores podem chegar ao topo, aumentando o número de que esquiam para baixo para se tornarem produtos.

Questões Práticas

Preencha o espaço em branco: Quando uma enzima catalisa uma reação, ________.

  1. aumenta a energia de ativação da reação.
  2. ele é usado uma vez e descartado.
  3. torna-se um produto.
  4. ele atua como um reagente.
  5. reduz a energia de ativação da reação.

O que acontecerá com a taxa na qual uma reação química ocorre se a energia de ativação for aumentada?

  1. A reação acontecerá mais rápido (em uma taxa mais alta).
  2. A reação acontecerá mais lentamente (em uma taxa mais baixa).
  3. A taxa de reação não mudará.

Em resumo: reações químicas

A camada externa do elétron determina com que rapidez e que tipo de ligações químicas um átomo particular se formará. A formação de compostos é frequentemente delineada visualmente em equações químicas que mostram os reagentes participando de reações químicas para formar produtos.

As vias anabólicas reúnem moléculas grandes e formam outras menores. As vias catabólicas quebram grandes moléculas em pequenos pedaços.

As enzimas são proteínas que aceleram as reações, reduzindo a energia de ativação. Cada enzima normalmente se liga a apenas um substrato. As enzimas não são consumidas durante uma reação, em vez disso, estão disponíveis para ligar novos substratos e catalisar a mesma reação repetidamente.


Assista o vídeo: ENZIMAS - BIOQUÍMICA. Biologia com Samuel Cunha (Dezembro 2021).