Exercícios: Metabolismo, anabolismo e catabolismo

Define metabolismo e explica a diferença entre anabolismo e catabolismo, apresentando um exemplo de processo de cada tipo.

O que é o ATP e por que razão é conhecido como a «moeda energética» da célula? Indica o que ocorre quando é hidrolisado a ADP.

Classifica os seguintes processos em anabólicos ou catabólicos e justifica sucintamente a tua opção: a síntese de proteínas, a respiração celular, a fotossíntese e a digestão dos alimentos.

O que é uma enzima e por que razão se diz que as reações do metabolismo são reações catalisadas? Indica o que acontece à enzima no final da reação.

Descreve a composição química da molécula de ATP (base azotada, açúcar e grupos fosfato) e indica que ligação é quebrada aquando da sua hidrólise a ADP, explicando por que se diz que essa ligação é rica em energia.

Explica por que razão se afirma que os seres vivos são sistemas abertos do ponto de vista da troca de matéria e energia, e que diferença existe a este respeito em comparação com uma máquina isolada.

Apresenta dois exemplos de processos do dia a dia que dependam da energia libertada pela hidrólise do ATP (contração muscular, transporte ativo, síntese de moléculas, transmissão do impulso nervoso) e explica resumidamente um deles.

O que é a energia de ativação de uma reação? Explica como é que as enzimas permitem que as reações metabólicas ocorram rapidamente à temperatura do corpo humano.

Observa o esquema da troca de matéria e energia no metabolismo. Indica que processo (anabolismo ou catabolismo) representam A e B, que molécula está assinalada com ? e explica, com um exemplo, de que modo a energia libertada por um processo alimenta o outro.

As transformações metabólicas ocorrem em vias formadas por muitas reações encadeadas, cada uma catalisada por uma enzima. Explica o que é uma via metabólica e que vantagens oferece dividir uma transformação em numerosos passos.

Distingue organismos autotróficos de heterotróficos do ponto de vista metabólico (fonte de carbono e de energia) e apresenta um exemplo de cada tipo.

Os organismos fotossintéticos obtêm o seu ATP a partir da luz e os heterotróficos a partir dos nutrientes, mas todos o produzem pelo mesmo mecanismo final: o aproveitamento de um gradiente de protões. Explica o que é a quimiose e em que estruturas membranares ocorre num e noutro grupo de organismos.

Por que razão a fonte imediata de energia da célula é o ATP e não a glicose? Justifica a resposta comparando a forma como a energia é libertada em cada caso (em pequenas doses aproveitáveis versus a combustão rápida e descontrolada que implicaria libertar de uma só vez toda a energia da glicose).

As reações anabólicas necessitam, além de ATP, de poder redutor sob a forma de NADPH. Explica o que o NADPH fornece às sínteses e em que se distingue a sua função da do NADH no metabolismo.

Classifica as seguintes atividades de uma célula muscular consoante consumam ou libertem ATP, justificando cada caso: a contração, a síntese de glicogénio, a degradação da glicose na glicólise e o transporte ativo de iões através da membrana.

Durante o exercício físico, o consumo de oxigénio de uma pessoa pode multiplicar-se por dez ou mais. Explica que relação tem este facto com o metabolismo celular e justifica por que razão o oxigénio apenas é necessário para uma parte do metabolismo energético.

Considera as seguintes duas reações metabólicas independentes em condições fisiológicas:

1. $\text{Glicose} + \text{P}_\text{i} \rightarrow \text{Glicose-6-fosfato} + \text{H}_2\text{O} \quad (\Delta G^{\circ\prime} = +13,8\text{ kJ/mol})$

2. $\text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{ADP} + \text{P}_\text{i} \quad (\Delta G^{\circ\prime} = -30,5\text{ kJ/mol})$

1. a) Justifica a nível molecular por que razão a hidrólise do ATP apresenta um $\Delta G^{\circ\prime}$ tão fortemente exergónico (faz referência à repulsão de cargas eletrostáticas e à estabilização por ressonância dos produtos formados).
2. b) Escreve a equação da reação líquida acoplada catalisada pela enzima hexoquinase, calcula o seu $\Delta G^{\circ\prime}$ global e fundamenta como este mecanismo de acoplamento energético torna possível a realização de processos celulares que, isoladamente, seriam termodinamicamente inviáveis.

Numa investigação sobre metabolismo muscular analisa-se uma linha celular com uma mutação que torna a enzima glicogénio sintase constitutivamente ativa e insensível à inibição por fosforilação, de modo que permanece a 100 % de atividade mesmo perante descargas intensas de adrenalina.

1. a) Durante uma contração muscular vigorosa desencadeada por adrenalina, a glicogénio fosforilase é ativada por fosforilação em cascata. Prevê fundamentadamente a consequência metabólica imediata de ambas as enzimas (sintase e fosforilase) atuarem simultaneamente à velocidade máxima e justifica por que razão este fenómeno (ciclo fútil) resulta energeticamente prejudicial para a célula.
2. b) Explica como a regulação recíproca coordenada (mediante modificação covalente reversível e moduladores alostéricos como o AMP e o ATP) evita que este conflito ocorra nas fibras musculares normais durante o repouso e o exercício.

Um aluno coloca um aparente paradoxo: «O segundo princípio da termodinâmica dita que os processos espontâneos ocorrem com um $\Delta G < 0$. Uma vez que o anabolismo constrói moléculas complexas através de reações fortemente endergónicas ($\Delta G > 0$), a biossíntese de macromoléculas não viola as leis da física?»

1. a) Rebate a objeção do aluno justificando, mediante o princípio do acoplamento energético e a função intermediária do sistema ATP/ADP, como a célula consegue que uma via anabólica global seja termodinamicamente favorável.
2. b) Se for adicionado a uma suspensão de hepatócitos um composto desacoplador da fosforilação oxidativa (como o DNP) que dissipa o gradiente eletroquímico mitocondrial de protões, prevê fundamentadamente o que acontecerá com a taxa de catabolismo da glicose, com a síntese de biomoléculas (anabolismo) e com a temperatura do meio.

Um detrator da teoria evolutiva afirma que a génese e manutenção de seres vivos complexos e ordenados a partir de precursores simples é fisicamente impossível porque contradiz o segundo princípio da termodinâmica, segundo o qual a desordem (entropia) deve obrigatoriamente aumentar.

1. a) Utilizando a formulação $\Delta S_\text{universo} = \Delta S_\text{sistema} + \Delta S_\text{meio} \ge 0$, rebate este argumento diferenciando entre um sistema aberto e um isolado, e justifica como o catabolismo celular permite compensar a diminuição local de entropia interna gerada durante o anabolismo.
2. b) Concebe uma experiência mental na qual fechas um animal e o seu alimento num recipiente rígido, perfeitamente hermético e adiabático (isolado do exterior relativamente a matéria e calor). Prevê o destino vital e termodinâmico do sistema com o passar do tempo e explica por que razão a biosfera terrestre não sofre esse mesmo colapso entrópico graças ao fluxo solar contínuo.

Um veneno bloqueia a hidrólise do ATP sem impedir a sua síntese. Prevê, fundamentando, o que acontecerá à concentração celular de ATP, ao anabolismo, ao catabolismo e aos trabalhos celulares, e explica por que razão a célula acabará por morrer mesmo estando «cheia» de ATP.

Um ser humano adulto de 70 kg possui em qualquer instante uma massa total constante de apenas cerca de 50 g de ATP. No entanto, a sua atividade basal e quotidiana exige hidrolisar e ressintetizar aproximadamente 50 kg de ATP a cada 24 horas.

1. a) Calcula quantas vezes por dia é reciclada, em média, cada molécula de ATP neste indivíduo e deduz o tempo médio (em segundos ou minutos) que decorre entre a síntese de uma molécula de ATP e a sua posterior hidrólise.
2. b) Se o nosso organismo não pudesse reciclar o ADP e tivesse de armazenar previamente sob a forma de ATP livre os 50 kg necessários para a jornada, justifica as consequências insuperáveis que isto provocaria sobre o volume celular e a pressão osmótica das células. Justifica por que razão as gorduras neutras (triacilgliceróis) e os polissacáridos são macromoléculas fisiologicamente adequadas como depósitos energéticos a longo prazo face ao ATP.

Um estudante afirma: «Dado que a combustão direta de uma mole de glicose no laboratório e a sua oxidação celular completa libertam a mesma quantidade líquida de energia ($\Delta G^\circ = -2870\ \text{kJ/mol}$), para a célula viva seria mais vantajoso queimar a glicose numa única reação rápida para sintetizar de uma só vez todo o ATP e evitar perdas intermédias». a) Contesta esta afirmação justificando duas razões citológicas ou termodinâmicas pelas quais a libertação instantânea dessa energia seria destrutiva ou inviável para a célula. b) Explica a vantagem biológica da oxidação escalonada e justifica o papel fundamental que desempenham coenzimas como o $\text{NAD}^+$ e o FAD como intermediários de potencial redox.

Numa bactéria, a via de síntese do aminoácido essencial L a partir do precursor P é constituída por três etapas consecutivas catalisadas pelas enzimas $E_1, E_2$ e $E_3$. A enzima $E_1$ é alostérica e sofre inibição por retroalimentação pelo próprio produto L. a) Prevê fundamentadamente o que aconteceria à concentração dos intermediários da via e ao balanço energético celular se uma mutação alterasse o centro alostérico de $E_1$, impedindo a ligação de L mas mantendo intacta a sua atividade catalítica, quando a bactéria cresce num meio com abundante L exógeno. b) Se outra mutação inativar por completo a enzima $E_2$, fundamenta que composto se acumulará e se a atividade de $E_1$ se manterá ou será travada na ausência de L no meio. c) Justifica a vantagem seletiva de situar o controlo alostérico na primeira enzima própria da via e não na última ($E_3$).