Biologia para Não-Majores I

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Uma célula viva não pode armazenar quantidades significativas de energia livre. O excesso de energia livre resultaria num aumento de calor na célula, o que resultaria num movimento térmico excessivo que poderia danificar e depois destruir a célula. Ao invés disso, uma célula deve ser capaz de lidar com essa energia de uma maneira que permita à célula armazenar energia de forma segura e liberá-la para uso apenas quando necessário. As células vivas conseguem isto usando o composto adenosina trifosfato (ATP). O ATP é frequentemente chamado de “moeda de energia” da célula, e, tal como a moeda, este composto versátil pode ser usado para preencher qualquer necessidade de energia da célula. Como? Ele funciona de forma semelhante a uma bateria recarregável.

Quando o ATP é decomposto, geralmente pela remoção do seu grupo terminal de fosfato, a energia é liberada. A energia é utilizada para fazer o trabalho da célula, geralmente pela ligação do fosfato liberado a outra molécula, ativando-a. Por exemplo, no trabalho mecânico de contração muscular, o ATP fornece a energia para mover as proteínas musculares contráteis. Recorde o trabalho ativo de transporte da bomba de sódio-potássio nas membranas celulares. O ATP altera a estrutura da proteína integral que funciona como bomba, alterando sua afinidade com o sódio e o potássio. Desta forma, a célula realiza trabalho, bombeando íons contra seus gradientes eletroquímicos.

ATP Estrutura e Função

Esta ilustração mostra a estrutura molecular do ATP. Esta molécula é um nucleotídeo adenina com uma cadeia de três grupos de fosfato ligados a ela. Os grupos fosfatos são denominados alfa, beta e gama em ordem crescente de distância do açúcar ribose ao qual estão ligados.

Figure 1. O ATP (adenosina trifosfato) tem três grupos de fosfato que podem ser removidos por hidrólise para formar o ADP (adenosina difosfato) ou AMP (adenosina monofosfato). As cargas negativas sobre o grupo fosfato repelem-se naturalmente, exigindo energia para uni-los e liberando energia quando estas ligações são quebradas.

No coração do ATP está uma molécula de adenosina monofosfato (AMP), que é composta de uma molécula de adenosina ligada a uma molécula de ribose e a um único grupo de fosfato (Figura 1). Ribose é um açúcar de cinco carbonos encontrado no RNA, e AMP é um dos nucleotídeos do RNA. A adição de um segundo grupo de fosfato a esta molécula de núcleo resulta na formação de difosfato de adenosina (ADP); a adição de um terceiro grupo de fosfato forma trifosfato de adenosina (ATP).

A adição de um grupo de fosfato a uma molécula requer energia. Os grupos de fosfato são carregados negativamente e, portanto, repelem uns aos outros quando estão dispostos em série, como estão no ADP e ATP. Esta repulsão torna as moléculas de ADP e ATP inerentemente instáveis. A liberação de um ou dois grupos de fosfato de ATP, um processo chamado desfosforilação, libera energia.

Energia de ATP

Hidrólise é o processo de separação de macromoléculas complexas. Durante a hidrólise, a água é dividida, ou lisada, e o átomo de hidrogênio resultante (H+) e um grupo hidroxila (OH-) são adicionados à molécula maior. A hidrólise de ATP produz ADP, juntamente com um íon fosfato inorgânico (Pi), e a liberação de energia livre. Para realizar processos de vida, o ATP é continuamente decomposto em ADP, e como uma bateria recarregável, o ADP é continuamente regenerado em ATP através da recolocação de um terceiro grupo de fosfato. A água, que foi decomposta em seu átomo de hidrogênio e grupo hidroxila durante a hidrólise de ATP, é regenerada quando um terceiro fosfato é adicionado à molécula de ADP, reformando ATP.

Obviamente, a energia deve ser infundida no sistema para regenerar ATP. De onde vem esta energia? Em quase todos os seres vivos da Terra, a energia vem do metabolismo da glicose. Desta forma, o ATP é uma ligação directa entre o conjunto limitado de vias exergónicas do catabolismo da glucose e a multiplicidade de vias endergónicas que alimentam as células vivas.

Phosphorylation

Recall que, em algumas reacções químicas, as enzimas podem ligar-se a vários substratos que reagem entre si na enzima, formando um complexo intermédio. Um complexo intermediário é uma estrutura temporária, e permite que um dos substratos (como o ATP) e reagentes reajam mais rapidamente entre si; nas reações envolvendo ATP, ATP é um dos substratos e ADP é um produto. Durante uma reação química endergônica, o ATP forma um complexo intermediário com o substrato e a enzima na reação. Este complexo intermediário permite ao ATP transferir seu terceiro grupo de fosfato, com sua energia, para o substrato, um processo chamado fosforilação. Fosforilação refere-se à adição do fosfato (~P). Isto é ilustrado pela seguinte reação genérica:

A + enzima + ATP → → B + enzima + ADP + íon fosfato

Quando o complexo intermediário se rompe, a energia é utilizada para modificar o substrato e convertê-lo em um produto da reação. A molécula ADP e um íon fosfato livre são liberados no meio e estão disponíveis para reciclagem através do metabolismo celular.

Esta ilustração mostra uma reação de fosforilação ao nível do substrato na qual o fosfato gama de ATP é ligado a uma proteína.

Figure 2. Nas reações de fosforilação, o fosfato gama de ATP é ligado a uma proteína.

Fosforilação de substrato

ATP é gerado através de dois mecanismos durante a quebra da glicose. Algumas moléculas de ATP são geradas (ou seja, regeneradas a partir do ADP) como resultado direto das reações químicas que ocorrem nas vias catabólicas. Um grupo fosfato é retirado de um reagente intermediário na via, e a energia livre da reação é usada para adicionar o terceiro fosfato a uma molécula ADP disponível, produzindo ATP (Figura 2). Este método muito direto de fosforilação é chamado fosforilação a nível de substrato.

Fosforilação oxidativa

A maior parte do ATP gerado durante o catabolismo da glicose, entretanto, é derivado de um processo muito mais complexo, a quimiocondria, que ocorre em mitocôndrias (Figura 3) dentro de uma célula eucariótica ou da membrana plasmática de uma célula procariótica.

Esta ilustração mostra a estrutura de uma mitocôndria, que tem uma membrana externa e uma membrana interna. A membrana interna tem muitas dobras, chamadas cristae. O espaço entre a membrana externa e a membrana interna é chamado de espaço intermembrana, e o espaço central da mitocôndria é chamado de matriz. As enzimas ATP synthase e a cadeia de transporte de elétrons estão localizadas na membrana internap>Figure 3. A mitocôndria (Crédito: modificação do trabalho de Mariana Ruiz Villareal)

Chemiosmose, um processo de produção de ATP no metabolismo celular, é usado para gerar 90% do ATP feito durante o catabolismo da glicose e é também o método usado nas reações de luz da fotossíntese para aproveitar a energia da luz solar. A produção de ATP usando o processo de quimiossimose é chamada fosforilação oxidativa devido ao envolvimento do oxigênio no processo.

Em resumo: ATP em Sistemas Vivos

ATP funciona como a moeda energética para as células. Ele permite que a célula armazene energia brevemente e a transporte dentro da célula para suportar reações químicas endergônicas. A estrutura do ATP é a de um nucleotídeo de RNA com três fosfatos ligados. Como o ATP é usado para energia, um ou dois grupos de fosfatos são separados, e tanto o ADP como o AMP são produzidos. A energia derivada do catabolismo da glicose é usada para converter ADP em ATP. Quando o ATP é usado em uma reação, o terceiro fosfato é temporariamente ligado a um substrato em um processo chamado fosforilação. Os dois processos de regeneração do ATP que são usados em conjunto com o catabolismo da glicose são a fosforilação ao nível do substrato e a fosforilação oxidativa através do processo de quimiose.

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