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6.7: Conexões com outras vias metabólicas - Biologia


O que você aprenderá a fazer: discutir as conexões entre as vias metabólicas

Você aprendeu sobre o catabolismo da glicose, que fornece energia às células vivas. Muitos dos produtos em uma determinada via são reagentes em outras vias.

objetivos de aprendizado

  • Discuta a forma como as vias metabólicas dos carboidratos, a glicólise e o ciclo do ácido cítrico se inter-relacionam com as vias metabólicas de proteínas e lipídios
  • Descreva o ciclo de energia de todos os organismos vivos

Conexões com outras vias metabólicas

Conexões de outros açúcares com o metabolismo da glicose

Glicogênio, um polímero de glicose, é uma molécula de armazenamento de energia de curto prazo em animais. Quando há ATP adequado presente, o excesso de glicose é convertido em glicogênio para armazenamento. O glicogênio é produzido e armazenado no fígado e nos músculos. O glicogênio será retirado do estoque se os níveis de açúcar no sangue caírem. A presença de glicogênio nas células musculares como fonte de glicose permite que o ATP seja produzido por mais tempo durante o exercício.

A sacarose é um dissacarídeo feito de glicose e frutose unidas. A sacarose é decomposta no intestino delgado e a glicose e a frutose são absorvidas separadamente. A frutose é um dos três monossacarídeos da dieta, junto com a glicose e a galactose (que faz parte do açúcar do leite, o dissacarídeo lactose), que são absorvidos diretamente na corrente sanguínea durante a digestão. O catabolismo da frutose e da galactose produz o mesmo número de moléculas de ATP que a glicose.

Conexões de proteínas ao metabolismo da glicose

As proteínas são decompostas por uma variedade de enzimas nas células. Na maioria das vezes, os aminoácidos são reciclados em novas proteínas. Se houver excesso de aminoácidos, entretanto, ou se o corpo estiver em um estado de fome, alguns aminoácidos serão desviados para as vias de catabolismo da glicose. Cada aminoácido deve ter seu grupo amino removido antes de entrar nessas vias. O grupo amino é convertido em amônia. Nos mamíferos, o fígado sintetiza uréia a partir de duas moléculas de amônia e uma molécula de dióxido de carbono. Assim, a uréia é o principal produto residual em mamíferos do nitrogênio originado nos aminoácidos e sai do corpo na urina.

Conexões de lipídios ao metabolismo da glicose

Os lipídios que estão conectados às vias da glicose são o colesterol e os triglicerídeos. O colesterol é um lipídio que contribui para a flexibilidade da membrana celular e é um precursor dos hormônios esteróides. A síntese do colesterol começa com acetil CoA e prossegue em apenas uma direção. O processo não pode ser revertido e o ATP não é produzido.

Os triglicerídeos são uma forma de armazenamento de energia de longo prazo em animais. Os triglicerídeos armazenam cerca de duas vezes mais energia do que os carboidratos. Os triglicerídeos são feitos de glicerol e três ácidos graxos. Os animais podem produzir a maioria dos ácidos graxos de que precisam. Os triglicerídeos podem ser produzidos e decompostos em partes das vias de catabolismo da glicose. O glicerol pode ser fosforilado e segue através da glicólise. Os ácidos graxos são quebrados em unidades de dois carbonos que entram no ciclo do ácido cítrico.

Tente

A fotossíntese e o metabolismo celular consistem em várias vias muito complexas. Em geral, acredita-se que as primeiras células surgiram em um ambiente aquoso - uma “sopa” de nutrientes. Se essas células se reproduzissem com sucesso e seu número aumentasse de forma constante, segue-se que as células começariam a esgotar os nutrientes do meio em que viviam, à medida que transferiam os nutrientes para suas próprias células. Essa situação hipotética teria resultado na seleção natural favorecendo os organismos que poderiam existir usando os nutrientes que permaneceram em seu ambiente e manipulando esses nutrientes em materiais que eles poderiam usar para sobreviver. Além disso, a seleção favoreceria aqueles organismos que poderiam extrair o valor máximo dos nutrientes disponíveis.

Desenvolveu-se uma forma inicial de fotossíntese que aproveitou a energia do sol usando compostos diferentes da água como fonte de átomos de hidrogênio, mas esta via não produzia oxigênio livre. Pensa-se que a glicólise se desenvolveu antes dessa época e poderia tirar proveito da produção de açúcares simples, mas essas reações não foram capazes de extrair totalmente a energia armazenada nos carboidratos. Uma forma posterior de fotossíntese usou água como fonte de íons de hidrogênio e gerou oxigênio livre. Com o tempo, a atmosfera tornou-se oxigenada. As coisas vivas se adaptaram para explorar esta nova atmosfera e permitiram que a respiração como a conhecemos evoluísse. Quando todo o processo de fotossíntese como o conhecemos se desenvolveu e a atmosfera tornou-se oxigenada, as células foram finalmente capazes de usar o oxigênio expelido pela fotossíntese para extrair mais energia das moléculas de açúcar usando o ciclo do ácido cítrico.

objetivos de aprendizado

A quebra e a síntese de carboidratos, proteínas e lipídios se conectam com as vias do catabolismo da glicose. Os carboidratos que também podem contribuir para o catabolismo da glicose incluem galactose, frutose e glicogênio. Eles se conectam com a glicólise. Os aminoácidos das proteínas se conectam com o catabolismo da glicose por meio do piruvato, acetil CoA e componentes do ciclo do ácido cítrico. A síntese do colesterol começa com acetil CoA, e os componentes dos triglicerídeos são captados pela acetil CoA e entram no ciclo do ácido cítrico.

Pergunta adicional de autoverificação

Você descreveria as vias metabólicas como inerentemente desperdiçadoras ou econômicas, e por quê?

[linhas da área de prática = ”4 ″] [/ área de prática]
[revelar-resposta q = ”810103 ″] Mostrar resposta [/ revelar-resposta]
[resposta oculta a = ”810103 ″] Eles são muito econômicos. Os substratos, intermediários e produtos se movem entre as vias e o fazem em resposta a loops de inibição de feedback perfeitamente ajustados que mantêm o metabolismo geral em equilíbrio. Os intermediários em uma via podem ocorrer em outra, e eles podem se mover de uma via para outra fluidamente em resposta às necessidades da célula.

O Ciclo de Energia

Os seres vivos acessam a energia quebrando as moléculas de carboidratos. No entanto, se as plantas produzem moléculas de carboidratos, por que precisariam quebrá-las? Os carboidratos são moléculas de armazenamento de energia em todos os seres vivos. Embora a energia possa ser armazenada em moléculas como o ATP, os carboidratos são reservatórios muito mais estáveis ​​e eficientes de energia química. Os organismos fotossintéticos também realizam as reações da respiração para colher a energia que armazenaram nos carboidratos, por exemplo, as plantas têm mitocôndrias além dos cloroplastos.

Você deve ter notado que a reação geral para a fotossíntese:

é o reverso da reação geral para a respiração celular:

A fotossíntese produz oxigênio como subproduto, e a respiração produz dióxido de carbono como subproduto.

Na natureza, não existe desperdício. Cada átomo de matéria é conservado, reciclando indefinidamente. As substâncias mudam de forma ou passam de um tipo de molécula para outro, mas nunca desaparecem (Figura 2).

CO2 não é mais uma forma de resíduo produzido pela respiração do que o oxigênio é um resíduo da fotossíntese. Ambos são subprodutos de reações que passam para outras reações. A fotossíntese absorve energia para construir carboidratos nos cloroplastos, e a respiração celular aeróbica libera energia usando o oxigênio para quebrar os carboidratos nas mitocôndrias. Ambas as organelas usam cadeias de transporte de elétrons para gerar a energia necessária para conduzir outras reações. A fotossíntese e a respiração celular funcionam em um ciclo biológico, permitindo que os organismos acessem a energia de sustentação da vida que se origina a milhões de quilômetros de distância em uma estrela.

Pergunta Prática

Explique a natureza recíproca das reações químicas líquidas para fotossíntese e respiração.

[linhas da área de prática = ”4 ″] [/ área de prática]
[revelar-resposta q = ”130952 ″] Mostrar resposta [/ revelar-resposta]
[resposta oculta a = ”130952 ″] A fotossíntese pega a energia da luz solar e combina água e dióxido de carbono para produzir açúcar e oxigênio como um produto residual. As reações da respiração pegam açúcar e consomem oxigênio para quebrá-lo em dióxido de carbono e água, liberando energia. Assim, os reagentes da fotossíntese são produtos da respiração e vice-versa. [/ Resposta oculta]

Verifique sua compreensão

Responda às perguntas abaixo para ver se você entendeu bem os tópicos abordados na seção anterior. Este pequeno teste faz não conte para sua nota na classe, e você pode refazê-la um número ilimitado de vezes.

Use este questionário para verificar sua compreensão e decidir se (1) estuda mais a seção anterior ou (2) passa para a próxima seção.


4.5 Conexões para outras vias metabólicas

Você aprendeu sobre o catabolismo da glicose, que fornece energia às células vivas. Mas os seres vivos consomem mais do que apenas glicose como alimento. Como um sanduíche de peru, que contém proteína, fornece energia para suas células? Isso acontece porque todas as vias catabólicas para carboidratos, proteínas e lipídios eventualmente se conectam à glicólise e às vias do ciclo do ácido cítrico (Figura 4.20). As vias metabólicas devem ser consideradas porosas - isto é, as substâncias entram por outras vias e outras substâncias saem por outras vias. Essas vias não são sistemas fechados. Muitos dos produtos em uma determinada via são reagentes em outras vias.

Conexões de outros açúcares com o metabolismo da glicose

Glicogênio, um polímero de glicose, é uma molécula de armazenamento de energia de curto prazo em animais. Quando há ATP adequado presente, o excesso de glicose é convertido em glicogênio para armazenamento. O glicogênio é produzido e armazenado no fígado e nos músculos. O glicogênio será retirado do estoque se os níveis de açúcar no sangue caírem. A presença de glicogênio nas células musculares como fonte de glicose permite que o ATP seja produzido por mais tempo durante o exercício.

A sacarose é um dissacarídeo feito de glicose e frutose unidas. A sacarose é decomposta no intestino delgado e a glicose e a frutose são absorvidas separadamente. A frutose é um dos três monossacarídeos da dieta, junto com a glicose e a galactose (que faz parte do açúcar do leite, o dissacarídeo lactose), que são absorvidos diretamente na corrente sanguínea durante a digestão. O catabolismo da frutose e da galactose produz o mesmo número de moléculas de ATP que a glicose.

Conexões de proteínas ao metabolismo da glicose

As proteínas são decompostas por uma variedade de enzimas nas células. Na maioria das vezes, os aminoácidos são reciclados em novas proteínas. Se houver excesso de aminoácidos, entretanto, ou se o corpo estiver em um estado de fome, alguns aminoácidos serão desviados para as vias de catabolismo da glicose. Cada aminoácido deve ter seu grupo amino removido antes de entrar nessas vias. O grupo amino é convertido em amônia. Nos mamíferos, o fígado sintetiza uréia a partir de duas moléculas de amônia e uma molécula de dióxido de carbono. Assim, a uréia é o principal produto residual em mamíferos do nitrogênio originado nos aminoácidos e sai do corpo na urina.

Conexões de lipídios ao metabolismo da glicose

Os lipídios que estão conectados às vias da glicose são o colesterol e os triglicerídeos. O colesterol é um lipídio que contribui para a flexibilidade da membrana celular e é um precursor dos hormônios esteróides. A síntese do colesterol começa com acetil CoA e prossegue em apenas uma direção. O processo não pode ser revertido e o ATP não é produzido.

Os triglicerídeos são uma forma de armazenamento de energia de longo prazo em animais. Os triglicerídeos armazenam cerca de duas vezes mais energia do que os carboidratos. Os triglicerídeos são feitos de glicerol e três ácidos graxos. Os animais podem produzir a maioria dos ácidos graxos de que precisam. Os triglicerídeos podem ser produzidos e decompostos em partes das vias de catabolismo da glicose. O glicerol pode ser fosforilado e segue através da glicólise. Os ácidos graxos são quebrados em unidades de dois carbonos que entram no ciclo do ácido cítrico.

Conexão de evolução

Vias de fotossíntese e metabolismo celular

A fotossíntese e o metabolismo celular consistem em várias vias muito complexas. Em geral, acredita-se que as primeiras células surgiram em um ambiente aquoso - uma “sopa” de nutrientes. Se essas células se reproduzissem com sucesso e seu número aumentasse constantemente, segue-se que as células começariam a esgotar os nutrientes do meio em que viviam, à medida que transferiam os nutrientes para suas próprias células. Essa situação hipotética teria resultado na seleção natural favorecendo os organismos que poderiam existir usando os nutrientes que permaneceram em seu ambiente e manipulando esses nutrientes em materiais que eles poderiam usar para sobreviver. Além disso, a seleção favoreceria aqueles organismos que poderiam extrair o valor máximo dos nutrientes disponíveis.

Desenvolveu-se uma forma inicial de fotossíntese que aproveitou a energia do sol usando compostos diferentes da água como fonte de átomos de hidrogênio, mas esta via não produzia oxigênio livre. Pensa-se que a glicólise se desenvolveu antes dessa época e poderia tirar proveito da produção de açúcares simples, mas essas reações não foram capazes de extrair totalmente a energia armazenada nos carboidratos. Uma forma posterior de fotossíntese usou água como fonte de íons de hidrogênio e gerou oxigênio livre. Com o tempo, a atmosfera tornou-se oxigenada. As coisas vivas se adaptaram para explorar esta nova atmosfera e permitiram que a respiração como a conhecemos evoluísse. Quando todo o processo de fotossíntese como o conhecemos se desenvolveu e a atmosfera tornou-se oxigenada, as células foram finalmente capazes de usar o oxigênio expelido pela fotossíntese para extrair mais energia das moléculas de açúcar usando o ciclo do ácido cítrico.


Conexões de outros açúcares com o metabolismo da glicose

Glicogênio, um polímero de glicose, é uma molécula de armazenamento de energia de curto prazo em animais. Quando há ATP adequado presente, o excesso de glicose é convertido em glicogênio para armazenamento. O glicogênio é produzido e armazenado no fígado e nos músculos. O glicogênio será retirado do estoque se os níveis de açúcar no sangue caírem. A presença de glicogênio nas células musculares como fonte de glicose permite que o ATP seja produzido por mais tempo durante o exercício.

A sacarose é um dissacarídeo feito de glicose e frutose unidas. A sacarose é decomposta no intestino delgado e a glicose e a frutose são absorvidas separadamente. A frutose é um dos três monossacarídeos da dieta, junto com a glicose e a galactose (que faz parte do açúcar do leite, o dissacarídeo lactose), que são absorvidos diretamente na corrente sanguínea durante a digestão. O catabolismo da frutose e da galactose produz o mesmo número de moléculas de ATP que a glicose.


Vias metabólicas para o metabolismo intermediário (3 vias)

Os pontos a seguir destacam as três principais vias metabólicas do metabolismo intermediário. As vias metabólicas são: 1. Metabolismo de carboidratos 2. Metabolismo lipídico 3. Metabolismo de aminoácidos.

Caminho metabólico # 1. Metabolismo de carboidratos:

uma. O piruvato e o lactato são formados nas células dos mamíferos como resultado da óxido e da inibição da glicose pela glicólise.

b. A glicólise ocorre no citoplasma das células na ausência de lactato produtor de oxigênio apenas. s

c. Em condições aeróbias, o piruvato é metabolizado em acetil-CoA, que entra no ciclo do ácido cítrico para oxidação completa em CO2 e H2O.

d. A glicose também participa de outro processo metabólico como segue:

(i) É convertido em glicogênio como agente de armazenamento, principalmente no fígado e no músculo esquelético.

(ii) O shunt HMP ou as vias de pentose fos e tímida decorrentes de interme e shydiates de glicólise é uma fonte de equivalentes de re & shydução (2H) para biosina e shítese de ácidos graxos, colesterol, etc. e é uma fonte de ribose que é importante para as formações de ácido nucleico.

(iii) Triose fosfato de glicólise é uma fonte de glicerol de gordura.

(iv) O piruvato e os intermediários do ciclo do ácido cítrico formam aminoácidos e o acetil-CoA é o bloco de construção dos ácidos graxos de cadeia longa e colesterol e shiterol, o precursor de todos os hormônios esteróides no corpo.

Caminho metabólico # 2. Metabolismo lipídico:

uma. Os ácidos graxos de cadeia longa são sintetizados a partir da acetil-CoA derivada de carboidratos e tidratos ou de lipídios da dieta.

b. Nos tecidos, os ácidos graxos são oxidados em acetil-CoA ou esterificados em acil-glicerol para formar gordura que é a principal reserva calórica do corpo.

c. Acetil-CoA formado por β-oxidação tem as seguintes funções significativas no corpo:

(i) Libera CP2 e H2O e também rende alta energia. Portanto, durante a oxidação dos ácidos graxos por β-oxi e timidez para sua oxidação completa, mais energia é formada.

(ii) É uma fonte de biossina e shítese do colesterol.

(iii) No fígado, forma corpos cetônicos que são combustíveis de tecidos solúveis em água alternativos. Esses combustíveis tornam-se fontes importantes de energia sob certas condições (por exemplo, fome).

Caminho metabólico # 3. Metabolismo de Aminoácidos:

uma. Os aminoácidos são necessários para a síntese de proteínas.

b. Os aminoácidos essenciais devem ser supridos na dieta, pois não são sintetizados pelos tecidos.

c. A dieta pode fornecer os aminoácidos não essenciais que também são formados a partir dos intermediários do ciclo do ácido cítrico por transaminação.

d. O excesso de nitrogênio amino como resultado da desaminação de aminoácidos é removido como uréia e os esqueletos de carbono que permanecem após a transaminação fornecem os seguintes produtos:


Conexões de proteínas ao metabolismo da glicose

As proteínas são decompostas por uma variedade de enzimas nas células. Na maioria das vezes, os aminoácidos são reciclados em novas proteínas. Se houver excesso de aminoácidos, entretanto, ou se o corpo estiver em um estado de fome, alguns aminoácidos serão desviados para as vias de catabolismo da glicose. Cada aminoácido deve ter seu grupo amino removido antes de entrar nessas vias. O grupo amino é convertido em amônia. Nos mamíferos, o fígado sintetiza uréia a partir de duas moléculas de amônia e uma molécula de dióxido de carbono. Assim, a uréia é o principal produto residual em mamíferos do nitrogênio originado nos aminoácidos e sai do corpo na urina.


Inibição de feedback nas vias metabólicas

As moléculas podem regular a função enzimática de várias maneiras. A principal questão permanece, entretanto: o que são essas moléculas e de onde elas vêm? Alguns são cofatores e coenzimas, como você aprendeu. Quais outras moléculas na célula fornecem regulação enzimática, como modulação alostérica e inibição competitiva e não competitiva? Talvez as fontes mais relevantes de moléculas reguladoras, no que diz respeito ao metabolismo celular enzimático, sejam os produtos das próprias reações metabólicas celulares. De uma forma mais eficiente e elegante, as células evoluíram para usar os produtos de suas próprias reações para inibição por feedback da atividade enzimática. Inibição de feedback envolve o uso de um produto de reação para regular sua própria produção posterior (Figura 11) A célula responde a uma abundância de produtos diminuindo a produção durante as reações anabólicas ou catabólicas. Tais produtos de reação podem inibir as enzimas que catalisaram sua produção por meio dos mecanismos descritos acima.

Figura 11 As vias metabólicas são uma série de reações catalisadas por várias enzimas. A inibição por feedback, em que o produto final da via inibe um processo a montante, é um importante mecanismo regulador nas células.

A produção de aminoácidos e nucleotídeos é controlada por meio da inibição por feedback. Além disso, o ATP é um regulador alostérico de algumas das enzimas envolvidas na quebra catabólica do açúcar, o processo que cria o ATP. Dessa forma, quando o ATP está em abundância, a célula pode impedir a produção de ATP. Por outro lado, o ADP atua como um regulador alostérico positivo (um ativador alostérico) para algumas das mesmas enzimas que são inibidas pelo ATP. Assim, quando os níveis relativos de ADP são altos em comparação com o ATP, a célula é acionada para produzir mais ATP através do catabolismo do açúcar.


Duas fases da glicólise

  1. Fase I ou Fase Preparatória Consiste nas 5 primeiras etapas. Nessas reações, a glicose é fosforilada enzimaticamente por ATP (primeiro no carbono 6 e depois no carbono 1) para produzir frutose 1,6-difosfato que é então dividido ao meio para produzir 2 moles do composto de 3 carbonos, gliceraldeído 3-fosfato. A primeira fase da glicólise, portanto, resulta na clivagem da cadeia de hexose. Esta fase requer um investimento de moles de 2ATP para ativar (ou preparar) o mol de glicose e prepará-lo para sua clivagem em dois pedaços de 3 carbonos. Além da glicose, outras hexoses como D-frutose, D-galactose e D-manose também podem se converter em gliceraldeído 3-fosfato.
  2. Fase II ou Fase de Pagamento As últimas 5 reações da glicólise constituem esta fase. Esta fase representa o resultado da glicólise, na qual a energia liberada durante a conversão de 3 moles de gliceraldeído 3-fosfato em 2 moles de piruvato é convertida pela fosforilação acoplada de 4 moles de ADP em ATP. Embora 4 moles de ATP sejam formados na fase II, o rendimento total líquido é de apenas 2 moles de ATP por mol de glicose oxidada, uma vez que 2 moles de ATP são investidos na fase I. A fase II é, portanto, conservadora de energia.
  1. Os grupos fosfato são completamente ionizados em pH 7, de modo que cada um dos 9 intermediários da glicólise ganha uma carga líquida negativa. Uma vez que as membranas celulares são, em geral, impermeáveis ​​às moléculas carregadas, os intermediários glicolíticos não podem escapar da célula. Apenas a glicose pode entrar nas células e o piruvato ou o lactato podem sair das células porque as membranas celulares têm sistemas de transporte específicos que permitem a passagem dessas moléculas.
  2. Os grupos fosfato são componentes essenciais na conservação de energia, uma vez que, em última análise, são transferidos para o ADP para produzir ATP.
  3. Os grupos fosfato atuam como grupos de reconhecimento ou de ligação necessários para o ajuste adequado dos intermediários glicolíticos ao sítio ativo de suas enzimas correspondentes.

Vias metabólicas

Metabolic Pathways, Volume II enfoca o metabolismo, biossíntese e catabolismo de aminoácidos. A seleção primeiro oferece informações sobre o metabolismo de nitrogênio e carbono dos aminoácidos. As discussões enfocam os aminoácidos ligados ao ciclo do ácido cítrico, aminoácidos sulfurados, prolina e hidroxiprolina, histidina, hidroxiaminoácidos, biossíntese de ureia e sistemas relacionados e desamidação. O texto então pondera sobre a biossíntese de aminoácidos e compostos relacionados e o metabolismo de compostos contendo enxofre. Os tópicos incluem o metabolismo da metionina, biotina, importância biológica do enxofre em animais, interconversões de ácido glutâmico, ornitina e prolinas e biossíntese de aminoácidos de cadeia ramificada. A publicação analisa a síntese de proteínas, purinas e pirimidinas e nucleotídeos e nucleosídeos, incluindo os componentes de nucleotídeos, degradação de purinas e incorporação de compostos de purinas pré-formados em ácidos nucleicos. A seleção é uma referência valiosa para pesquisadores interessados ​​no metabolismo, catabolismo e biossíntese de aminoácidos.

Metabolic Pathways, Volume II enfoca o metabolismo, biossíntese e catabolismo de aminoácidos. A seleção primeiro oferece informações sobre o metabolismo do nitrogênio e do carbono dos aminoácidos. As discussões enfocam os aminoácidos ligados ao ciclo do ácido cítrico, aminoácidos sulfurados, prolina e hidroxiprolina, histidina, hidroxiaminoácidos, biossíntese de ureia e sistemas relacionados e desamidação. O texto então pondera sobre a biossíntese de aminoácidos e compostos relacionados e o metabolismo de compostos contendo enxofre. Os tópicos incluem o metabolismo da metionina, biotina, importância biológica do enxofre em animais, interconversões de ácido glutâmico, ornitina e prolinas e biossíntese de aminoácidos de cadeia ramificada. A publicação analisa a síntese de proteínas, purinas e pirimidinas e nucleotídeos e nucleosídeos, incluindo os componentes de nucleotídeos, degradação de purinas e incorporação de compostos de purinas pré-formados em ácidos nucleicos. A seleção é uma referência valiosa para pesquisadores interessados ​​no metabolismo, catabolismo e biossíntese de aminoácidos.


Resumo do capítulo

As células desempenham as funções vitais por meio de várias reações químicas. O metabolismo de uma célula se refere à combinação de reações químicas que ocorrem dentro dela. As reações catabólicas decompõem os produtos químicos complexos em outros mais simples e estão associadas à liberação de energia. Os processos anabólicos criam moléculas complexas a partir de outras mais simples e requerem energia.

No estudo da energia, o termo sistema se refere à matéria e ao meio ambiente envolvidos nas transferências de energia. Entropia é uma medida da desordem de um sistema. As leis físicas que descrevem a transferência de energia são as leis da termodinâmica. A primeira lei afirma que a quantidade total de energia no universo é constante. A segunda lei da termodinâmica afirma que toda transferência de energia envolve alguma perda de energia em uma forma inutilizável, como energia térmica. A energia vem em diferentes formas: cinética, potencial e livre. A mudança na energia livre de uma reação pode ser negativa (libera energia, exergônica) ou positiva (consome energia, endergônica). Todas as reações requerem uma entrada inicial de energia para prosseguir, chamada energia de ativação.

As enzimas são catalisadores químicos que aceleram as reações químicas diminuindo sua energia de ativação. As enzimas têm um sítio ativo com um ambiente químico exclusivo que se adapta a reagentes químicos específicos para aquela enzima, chamados substratos. Acredita-se que as enzimas e os substratos se liguem de acordo com um modelo de ajuste induzido. A ação da enzima é regulamentada para conservar recursos e responder de forma otimizada ao meio ambiente.

4.2 Glicólise

O ATP funciona como a moeda de energia para as células. Ele permite que as células armazenem energia brevemente e a transportem dentro de si para dar suporte às reações químicas endergônicas. A estrutura do ATP é a de um nucleotídeo de RNA com três grupos fosfato ligados. Como o ATP é usado para energia, um grupo fosfato é separado e o ADP é produzido. A energia derivada do catabolismo da glicose é usada para recarregar o ADP em ATP.

A glicólise é a primeira via usada na quebra da glicose para extrair energia. Por ser usado por quase todos os organismos da Terra, deve ter evoluído no início da história da vida. A glicólise consiste em duas partes: A primeira parte prepara o anel de seis carbonos da glicose para a separação em dois açúcares de três carbonos. A energia do ATP é investida na molécula durante esta etapa para energizar a separação. A segunda metade da glicólise extrai ATP e elétrons de alta energia dos átomos de hidrogênio e os anexa ao NAD +. Duas moléculas de ATP são investidas na primeira metade e quatro moléculas de ATP são formadas durante a segunda metade. Isso produz um ganho líquido de duas moléculas de ATP por molécula de glicose para a célula.

4.3 Ciclo do ácido cítrico e fosforilação oxidativa

O ciclo do ácido cítrico é uma série de reações químicas que remove elétrons de alta energia e os usa na cadeia de transporte de elétrons para gerar ATP. Uma molécula de ATP (ou equivalente) é produzida a cada volta do ciclo.

A cadeia de transporte de elétrons é a parte da respiração aeróbica que usa oxigênio livre como o aceptor final de elétrons para os elétrons removidos dos compostos intermediários no catabolismo da glicose. Os elétrons são passados ​​por uma série de reações químicas, com uma pequena quantidade de energia livre usada em três pontos para transportar íons de hidrogênio através da membrana. Isso contribui para o gradiente usado na quimiosmose. À medida que os elétrons são passados ​​do NADH ou FADH2 descendo a cadeia de transporte de elétrons, eles perdem energia. Os produtos da cadeia de transporte de elétrons são água e ATP. Vários compostos intermediários podem ser desviados para o anabolismo de outras moléculas bioquímicas, como ácidos nucléicos, aminoácidos não essenciais, açúcares e lipídios. Essas mesmas moléculas, exceto os ácidos nucléicos, podem servir como fontes de energia para a via da glicose.

4.4 Fermentação

Se o NADH não puder ser metabolizado por meio da respiração aeróbica, outro aceptor de elétrons é usado. A maioria dos organismos usará alguma forma de fermentação para realizar a regeneração do NAD +, garantindo a continuação da glicólise. A regeneração do NAD + na fermentação não é acompanhada pela produção de ATP, portanto, o potencial do NADH para produzir ATP usando uma cadeia de transporte de elétrons não é utilizado.

4.5 Conexões para outras vias metabólicas

A quebra e a síntese de carboidratos, proteínas e lipídios se conectam com as vias do catabolismo da glicose. Os carboidratos que também podem contribuir para o catabolismo da glicose incluem galactose, frutose e glicogênio. Eles se conectam com a glicólise. Os aminoácidos das proteínas se conectam com o catabolismo da glicose por meio do piruvato, acetil CoA e componentes do ciclo do ácido cítrico. A síntese do colesterol começa com acetil CoA, e os componentes dos triglicerídeos são captados pela acetil CoA e entram no ciclo do ácido cítrico.


Considerações finais e perspectivas futuras

Nesta revisão, discutimos como o metabolismo pode moldar a paisagem epigenômica e potencialmente gerar consequências funcionais estáveis ​​e até mesmo transgeracionalmente hereditárias em diferentes contextos. É particularmente emocionante para os campos de epigenética e metabolismo ver que as modificações epigenéticas metabolicamente reguladas incluem um amplo espectro de modificações enzimáticas e não enzimáticas em moléculas de histona, DNA e RNA além das marcas & # x02018canônico & # x02019 de metilação e acetilação. Um trabalho extensivo é necessário para caracterizar os comportamentos cinético e termodinâmico dessas marcas & # x02018 não canônicas & # x02019 e a dinâmica específica do contexto em resposta ao metabolismo.

Todas as enzimas modificadoras da cromatina metabolicamente reguladas mencionadas até agora são epigenéticas & # x02018writers & # x02019 e & # x02018erasers & # x02019 para modificações covalentes da cromatina. Notavelmente, até agora, não incluímos complexos de remodelação de cromatina dependente de ATP 222 & # x02013224, devido à alta concentração de ATP intracelular, que excede em muito os valores Km dos domínios de ATPase de remodeladores de cromatina ou qualquer enzima para esse assunto. Assim, as enzimas que utilizam ATP são saturadas de substrato e têm sensibilidade mínima para mudanças nas concentrações de ATP. No entanto, a capacidade dos remodeladores da cromatina de reconhecer e se ligar a várias modificações de histonas conduzidas metabolicamente, como metilação e acetilação de histonas, é crítica para sua localização e função, portanto, o metabolismo pode regular as funções desses complexos por meio dessas modificações. Metabólitos como a metionina, & # x003b1KG, acetil-CoA, corpos cetônicos e agentes redox, todos potencialmente regulam a função dos remodeladores da cromatina dessa forma, mas isso permanece descaracterizado e requer investigação adicional.

Apesar do progresso emocionante na descoberta de novas marcas epigenéticas reguladas metabolicamente, o entendimento sobre os resultados funcionais dessas respostas epigenômicas ainda é limitado. Os próximos estudos nos próximos anos devem, portanto, focar em esclarecer o papel causal da paisagem epigenômica metabolicamente regulada na formação de resultados fenotípicos na fisiologia e na doença. Avanços recentes em técnicas de ponta oferecem kits de ferramentas promissores para alcançarmos uma compreensão abrangente e quantitativa do eixo metabolismo-epigenética (Quadro 3).

Caixa 3:

Tecnologias para dissecar a paisagem metabólica e epigenômica

Two major challenges in the characterization of the metabolically regulated epigenomic landscape are the lack of high-throughput techniques to collect multi-dimensional epigenomic and metabolomic data in a quantitative fashion with sufficient resolution, and the difficulty in demonstrating causality in the association between the two elements. Although chromatin immunoprecipitation followed by sequencing (ChIP-seq) is still the most widely applied technique for genome-scale profiling of histone modifications, alternatives have been developed to increase the coverage and resolution of epigenomic profiles in both bulk tissues and single cells. Global chromatin profiling based on targeted mass spectrometry techniques 259 enables bulk-level, simultaneous quantification of 42 combinations of covalent modifications on histone H3, and has been applied to around 1,000 cancer cell lines in the Cancer Cell Line Encyclopedia (CCLE) 260 . Combined with DNA methylation, transcriptomic and metabolomic profiles 261 in the same collection of cell lines, this multi-omic data set is a valuable resource for studying the quantitative relationship between metabolic activity and epigenomic landscape in cancer cells. A new chromatin-profiling technology termed Cleavage Under Targets and Release Using Nuclease (CUT&RUN) — in which DNA fragments bound to the modified histones are directly cleaved and released instead of undergoing crosslinking, sonication and immunoprecipitation as they do in standard ChIP-seq — has shown increased signal-to-noise ratio, efficiency and resolution and has enabled the profiling of chromatin modifications in very small number of cells 262,263 . Based on CUT&RUN, techniques for chromatin profiling at the single-cell level have also recently been developed 264,265 . Measurements of metabolomic profiles can achieve cellular or subcellular resolution through the application of mass spectrometry techniques 266,267 , potentially allowing the integration of metabolomic and epigenomic profiles at single-cell level.

Regarding the causality underlying any relationship between metabolism and epigenetics, it is of particular importance to understand whether changes in the abundance of a specific metabolite cause changes in the relevant epigenetic modifications, and whether these changes directly cause the observed functional and phenotypic outcomes. Isotope tracing, historically used for estimation of metabolic fluxes 268 , can be applied to quantify the flow of chemical groups from a metabolite to chromatin, thus offering a quantitative measurement of the direct contribution of metabolic pathway activity to chromatin modifications 72,75,221,269 . CRISPR�s9 based epigenome editing 270,271 and synthetic biology approaches 272 , on the other hand, have enabled the targeted, locus-specific deposition or removal of specific epigenetic modifications and the programmable manipulation of components participating in chromatin regulation. These toolkits are providing a valuable opportunity towards us reaching a complete and mechanistic understanding of the metabolically regulated epigenomic landscape in a variety of physiological contexts.

Also unclear is if and how metabolism can dynamically influence the high-level architecture of chromosomes, such as chromatin accessibility, chromosomal looping, and physical properties such as liquid–liquid phase separation. Several theoretical studies have demonstrated that these structural properties of chromatin can be predicted by specific signatures of epigenetic modifications 225� , implying that changes in metabolism could probably alter the overall organization of genome. Furthermore, how metabolic heterogeneity in single cells can influence tissue or organ function through epigenetic regulation is still unknown 229 . This is especially interesting in the context of development where cells from different developmental states coexist. Single-cell multi-omics techniques that enable simultaneous profiling of gene expression, DNA methylation and chromatin accessibility in single cells could help understand this complexity 230� .

Finally, investigating the roles of metabolism and epigenetics in mediating health outcomes due to nutrition and microbiotal commensalism, are underexplored and promising fields of research. Given the genomic and metabolic heterogeneity among individuals, the wide global spectrum of diets and microbiotal composition, and the general complexity of chromatin, many functional links are still yet to be discovered that offer several promising avenues for future research. Integration of large-scale human datasets and machine learning methods along with rigorous biochemistry could be helpful in reconciling these disparate factors to predict health outcomes 234,235 and shed light on future directions for incisive mechanistic studies.


Assista o vídeo: vias metabolicas (Novembro 2021).