Estado estacionário (bioquímica) - Steady state (biochemistry)
Em bioquímica, o estado estacionário se refere à manutenção de concentrações internas constantes de moléculas e íons nas células e órgãos dos sistemas vivos. Os organismos vivos permanecem em um estado estacionário dinâmico, em que sua composição interna, tanto em nível celular quanto bruto, é relativamente constante, mas diferente das concentrações de equilíbrio . Um fluxo contínuo de massa e energia resulta na síntese e quebra constantes de moléculas por meio de reações químicas de vias bioquímicas. Essencialmente, o estado estacionário pode ser considerado como a homeostase em um nível celular.
Manutenção de estado estacionário
A regulação metabólica atinge um equilíbrio entre a taxa de entrada de um substrato e a taxa de degradação ou conversão e, assim, mantém o estado estacionário. A taxa de fluxo metabólico, ou fluxo, é variável e sujeita a demandas metabólicas. No entanto, em uma via metabólica, o estado estacionário é mantido equilibrando a taxa de substrato fornecida por uma etapa anterior e a taxa em que o substrato é convertido em produto, mantendo a concentração de substrato relativamente constante.
Falando termodinamicamente , os organismos vivos são sistemas abertos, o que significa que eles trocam constantemente matéria e energia com seus arredores. Um fornecimento constante de energia é necessário para manter o estado estacionário, pois manter uma concentração constante de uma molécula preserva a ordem interna e, portanto, é entropicamente desfavorável. Quando uma célula morre e não utiliza mais energia, sua composição interna prosseguirá em direção ao equilíbrio com seu entorno.
Em algumas ocorrências, é necessário que as células ajustem sua composição interna para atingir um novo estado estacionário. A diferenciação celular, por exemplo, requer regulação de proteína específica que permite que a célula em diferenciação atenda a novos requisitos metabólicos.
ATP
A concentração de ATP deve ser mantida acima do nível de equilíbrio para que as taxas de reações bioquímicas dependentes de ATP atendam às demandas metabólicas. Uma diminuição no ATP resultará em uma saturação diminuída de enzimas que usam ATP como substrato e, portanto, uma taxa de reação diminuída . A concentração de ATP também é mantida mais alta do que a de AMP , e uma diminuição na proporção ATP / AMP ativa o AMPK para ativar os processos celulares que retornarão as concentrações de ATP e AMP ao estado estacionário.
Em uma etapa da via da glicólise catalisada por PFK-1, a constante de equilíbrio da reação é de aproximadamente 1000, mas a concentração em estado estacionário dos produtos (frutose-1,6-bifosfato e ADP) sobre os reagentes (frutose-6-fosfato e ATP ) é apenas 0,1, indicando que a razão de ATP para AMP permanece em um estado estacionário significativamente acima da concentração de equilíbrio. A regulação de PFK-1 mantém os níveis de ATP acima do equilíbrio.
No citoplasma dos hepatócitos , a razão de estado estacionário de NADP + para NADPH é de aproximadamente 0,1, enquanto a de NAD + para NADH é de aproximadamente 1000, favorecendo o NADPH como o principal agente redutor e o NAD + como o principal agente oxidante nas reações químicas.
Glicose no sangue
Os níveis de glicose no sangue são mantidos em uma concentração de estado estacionário, equilibrando a taxa de entrada de glicose na corrente sanguínea (ou seja, por ingestão ou liberação das células) e a taxa de captação de glicose pelos tecidos corporais. Mudanças na taxa de entrada serão atendidas com uma mudança no consumo, e vice-versa, de modo que a concentração de glicose no sangue seja mantida em cerca de 5 mM em humanos. Uma mudança nos níveis de glicose no sangue desencadeia a liberação de insulina ou glucagon, o que estimula o fígado a liberar glicose na corrente sanguínea ou retirar a glicose da corrente sanguínea para retornar os níveis de glicose ao estado estacionário. As células beta do pâncreas, por exemplo, aumentam o metabolismo oxidativo como resultado do aumento da concentração de glicose no sangue, desencadeando a secreção de insulina. Os níveis de glicose no cérebro também são mantidos em estado estacionário, e a entrega de glicose ao cérebro depende do equilíbrio entre o fluxo da barreira hematoencefálica e a absorção pelas células cerebrais. Nos teleósteos , uma queda dos níveis de glicose no sangue abaixo do estado estacionário diminui o gradiente intracelular-extracelular na corrente sanguínea, limitando o metabolismo da glicose nos glóbulos vermelhos.
Lactato de sangue
Os níveis de lactato sanguíneo também são mantidos no estado estacionário. Em repouso ou em baixos níveis de exercício, a taxa de produção de lactato nas células musculares e o consumo no músculo ou nas células sanguíneas permite que o lactato permaneça no corpo em uma determinada concentração de estado estacionário. Se um nível mais alto de exercício for mantido, entretanto, os níveis de lactose no sangue irão aumentar antes de se tornarem constantes, indicando que um novo estado estacionário de concentração elevada foi alcançado. O estado estacionário máximo de lactato (MFEL) refere-se à concentração constante máxima de lactase alcançada durante alta atividade sustentada.
Moléculas contendo nitrogênio
A regulação metabólica de moléculas contendo nitrogênio, como aminoácidos, também é mantida em estado estacionário. O pool de aminoácidos, que descreve o nível de aminoácidos no corpo, é mantido em uma concentração relativamente constante, equilibrando a taxa de entrada (ou seja, da ingestão de proteína na dieta, produção de intermediários metabólicos) e a taxa de depleção (ou seja, da formação de proteínas do corpo, conversão em moléculas de armazenamento de energia). A concentração de aminoácidos nas células dos linfonodos, por exemplo, é mantida em estado estacionário com o transporte ativo como a fonte primária de entrada e a difusão como a fonte de efluxo .
Íons
Uma função principal do plasma e das membranas celulares é manter as concentrações assimétricas de íons inorgânicos para manter um estado estacionário iônico diferente do equilíbrio eletroquímico . Em outras palavras, há uma distribuição diferencial de íons em cada lado da membrana celular - ou seja, a quantidade de íons em ambos os lados não é igual e, portanto, existe uma separação de carga. No entanto, os íons se movem através da membrana celular de modo que um potencial de membrana em repouso constante seja alcançado; este é o estado estacionário iônico. No modelo de bomba-vazamento da homeostase celular de íons, a energia é utilizada para transportar íons ativamente contra seu gradiente eletroquímico . A manutenção deste gradiente de estado estacionário, por sua vez, é usado para fazer eléctrica e química de trabalho , quando isso é dissipada embora o movimento passivo de iões através da membrana.
No músculo cardíaco, o ATP é usado para transportar ativamente os íons de sódio para fora da célula através de uma ATPase de membrana . A excitação elétrica da célula resulta em um influxo de íons de sódio na célula, despolarizando temporariamente a célula. Para restaurar o gradiente eletroquímico de estado estacionário, a ATPase remove os íons de sódio e restaura os íons de potássio na célula. Quando uma frequência cardíaca elevada é mantida, causando mais despolarizações, os níveis de sódio na célula aumentam até se tornarem constantes, indicando que um novo estado de equilíbrio foi atingido.