Este documento descreve conceitos fundamentais de bioquímica como metabolismo, catabolismo, anabolismo e energia livre. Explica que o metabolismo envolve centenas de reações catalisadas por enzimas que convertem precursores em produtos finais. O catabolismo libera energia enquanto o anabolismo requer energia na forma de ATP para sintetizar moléculas. A energia livre de Gibbs determina a espontaneidade das reações e seu equilíbrio.

1. FACULDADE R. SÁ
CURSO DE FISIOTERAPIA
BIOQUÍMICA

2. AULA 10: PROF. ALDO XAVIER
2

3. FONTE: LEHNINGER. 4 ED. PREFÁCIO AO CAP 13.
PROF. ALDO XAVIER - BIOQUÍMICA
3

4. Introdução
 METABOLISMO:
 É uma atividade celular altamente coordenada na qual
muitos sistemas multienzimáticos (vias metabólicas)
atuam de forma cooperativa para:
 Obter energia química, seja por captação de energia solar ou
por degradação de nutrientes;
 Converter moléculas dos nutrientes em moléculas com
características próprias de cada célula;
 Polimerizar precursores monoméricos em macromoléculas tais
como proteínas, ácidos nucléicos e polissacarídeos;
 Sintetizar e degradar biomoléculas necessárias a funções
celulares especializadas, tais como lipídios de membranas,
mensageiros intracelulares e pigmentos.
4

5. O METABOLISMO
5
 Envolve centenas de reações diferentes catalisadas
enzimaticamente;
 É o somatório de todas as transformações químicas
que ocorrem em determinada célula ou organismo;
 Ocorre por meio de uma série reações catalisadas
enzimaticamente, as quais constituem as VIAS
METABÓLICAS;
 Cada uma das etapas consecutivas em uma
determinada via metabólica produz uma alteração
química pequena e específica, geralmente:
Remoção, Transferência ou adição de um átomo ou
grupo funcional.

6. O METABOLISMO
6
 O precursor é convertido em produto por meio de
um série de intermediários denominados de
metabólitos;
 Metabolismos Intermediários refere-se às atividades
combinadas de todas as vias metabólicas que
interconvertem precursores, metabólitos e produtos
de baixo peso molecular.

7. CATABOLISMO
7
 É a fase do metabolismo na qual moléculas de
nutrientes orgânicas (carboidratos, gorduras e
proteínas) sofrem degradação, sendo convertidas
em produtos finais menores e mais simples;
 As vias catabólicas liberam energia:
 Uma parte ao qual é conservada na forma de ATP e de
transportadores de elétrons reduzidos (NADH, NADPH e
FADH2);
 A energia restante é liberada na forma de calor.

8. ANABOLISMO
8
 Também denominado de Biossíntese, moléculas
precursoras pequenas e simples são ligadas entre si
formando moléculas maiores e mais complexas,
incluindo-se lipídios, polissacarídeos, proteínas e
ácidos nucléicos;
 As reações anabólicas requerem fornecimento de
energia:
 Geralmente na forma de potencial de transferência do
grupo fosforila do ATP e do poder redutor do NADH,
NADPH ou FADH2.

9. Catabolismo e Anabolismo
9
 A maioria das células possui as enzimas
necessárias tanto para degradar quanto para
sintetizar categorias importantes de biomoléculas:
 A síntese e a degradação de ácidos graxos simultâneo
seria um processo dispendioso e inútil;
 Desta forma ele é prevenido pela regulação recíproca
das seqüências de reações anabólicas e catabólicas, ou
seja, quando uma delas está ocorrendo, a outra é
suprimida.
 Isto ocorre porque a regulação das vias anabólicas e
catabólicas são catalisadas exatamente pelo mesmo
conjunto de enzimas.

10. Relações energéticas entre as vias
catabólicas e anabólicas
PROF. ALDO XAVIER - BIOQUÍMICA
10

11. Catabolismo e Anabolismo
11
 Além das enzimas em comum, há enzimas
diferentes nas direções do catabolismo e
anabolismo e constituem pontos de regulação
independente;
 Além disso, para que as vias sejam irreversíveis, é
necessário que pelo menos uma das reações sejam
termodinamicamente favoráveis;
 Como contribuição final, à regulação independente
das seqüências de reações anabólicas e
catabólicas, elas ocorrem em diferentes
compartimentos celulares:
 Mitocondrias - Catabolismo
 Citosol - Anabolismo (síntese)

12. Catabolismo e Anabolismo
12
 A maioria da células tem a capacidade de realizar
milhares de reações enzimáticas específicas;
 No entanto, existem modelos recorrentes nas vias
metabólicas que facilitam o aprendizado;
 A maioria das reações cai em uma destes cinco
grupos:
 Oxidação-Redução;
 Reações que rompem ou criam ligações carbono-
carbono;
 Rearranjos internos, isomerizações e eliminações;
 Transferência de grupos;
 Reações com radicais livres.

13. FONTES: LEHNINGER. 4º ED. CAP 13
CHAMPE. 3º ED. CAP 06
PROF. ALDO XAVIER - BIOQUÍMICA
13

14. Bioenergética
14
 Descreve a transferência e a utilização de energia
em sistemas biológicos. Ela utiliza algumas idéias
básicas da termodinâmica, em especial, o conceito
de energia livre;
 As mudanças da energia livre (ΔG) fornecem uma
medida da possibilidade, em termos energéticos, de
que uma reação química ocorra;
 A bioenergética prediz se um processo é possível,
enquanto que a cinética avalia quão rapidamente a
reação acontece.

15. Energia Livre
15
 O sentido de uma reação química e até que ponto
ela ocorre, são determinados pelo grau em que a
ENTALPIA e a ENTROPIA são alterados;
 A entalpia (ΔH) é uma medida da mudança no conteúdo de
calor dos reagentes e produtos;
 A Entropia (ΔS) é uma medida da desordem dos reagentes e
dos produtos;
 Nenhuma dessas grandezas termodinâmicas é, por si só,
suficiente para determinar se uma reação química
ocorrerá espontaneamente. Entretanto quando
combinadas matematicamente podem definir uma
terceira grandeza – ENERGIA LIVRE (ΔG).

16. Energia Livre
16
ΔG = ΔH – T.ΔS
 ΔG – Energia disponível para realizar trabalho;
 ΔH – Calor liberado ou absorvido;
 T – Temperatura
 ΔS – Medida da desorganização.

17. Energia Livre
17
 As variações na energia livre podem ser mostradas
de duas formas: ΔG e ΔG°;
 ΔG – Prediz a mudança na energia livre da reação sem
qualquer especificação da concentração dos reagentes e
produtos;
 ΔG° - É a variação na energia livre quando reagentes e
produtos estão em concentrações igual a 1,0 mol/L;
 As variações de energia livre padrão (ΔG°) são úteis
para comparação entre diferentes reações.

18. Energia Livre
18
 O sinal de ΔG prediz o sentido da reação:
 ΔG NEGATIVO – REAÇÃO EXERGÔNICA:
 Significa que há uma perda líquida de energia e a reação
ocorre espontaneamente;
 ΔG POSITIVO – REAÇÃO ENDERGÔNICA:
 Significa que há ganho líquido de energia e a reação não
ocorre espontaneamente. Alguma energia deve ser adicionada
ao sistema;
 ΔG = ZERO – REAÇÃO EM ESTADO DE EQUILIBRIO:
 Significa que os reagentes estão em equilíbrio com os produtos.

19. PROF. ALDO XAVIER - BIOQUÍMICA
19
EXERGÔNICA
S
G
ENDERGÔNICA
S
Go
OCORREM COMO
ESCRITO
NÃO OCORREM
ESPONTÂNEAMENTE NO
SENTIDO ESCRITO
TEM CAPACIDADE DE
REALIZAR TRABALHO
NECESSITAM de ENERGIA
EXTERNA PARA SE
REALIZAREM COMO
ESCRITO
Tendem a Ocorrer no Sentido
Inverso
Go = Zero Reação Reversível
NEGATIVO POSITIVO

20. As células necessitam de energia Livre
20
 As células são sistemas isotérmicos: elas funcionam
essencialmente em temperatura constante (e
também em pressão constante);
 O fluxo de calor não é uma fonte de energia para as
células porque o calor é capaz de realizar trabalho
somente quando há gradientes de temperatura;
 A energia que as células podem, e devem, utilizar é
a energia livre, expressa pela energia livre de Gibbs
(função G), que permite predizer o sentido de
equilíbrio e a quantidade de trabalho que elas
podem teoricamente realizar em temperatura e
pressão constante.

21. Constante de Equilibrio
21
 A variação da energia livre-padrão está diretamente
relacionada com a constante de equilibrio;
 A composição de um sistema reagente (uma mistura
de reagentes químicos e produtos) tende a variar
até que o equilíbrio químico seja atingido:
aA + bB – cC + dD
Keq = [C]c [D]d
[A]a [B]b

22. Constante de Equilibrio
22
 Quando um sistema reagente não está em
equilíbrio, a tendência para um deslocamento em
direção a ele corresponde a uma força impulsora ,
cuja intensidade pode ser expressa como a variação
de energia livre de Gibbs;
 Assim, para a variação de energia livre-padrão de
uma reação química é simplesmente uma via
matemática alternativa para expressar sua
constante de equilíbrio, para cada reação:
ΔG’° = -RT.ln K’eq


23. Energia livre e Constante de equilíbrio
23
 A energia livre-padrão é aquela que, sob condições-
padrão, ΔG’°, é a diferença entre o conteúdo de
energia livre dos produtos e o conteúdo de energia
livre dos reagentes;
 Quando o valor de ΔG’° é negativo, os produtos possuem
menos energia livre do que os reagentes, e a reação
ocorre espontaneamente sob condições padrão: Todas
as reações tendem a ocorrer pra que resulte na
diminuição na energia livre do sistema;
 Quando o valor de ΔG’° é positivo, os produtos possuem
mais energia livre do que os reagentes, e a reação ocorre
no sentido inverso.

24. Energia livre e Constante de equilíbrio
24
 Por exemplo:
 Façamos o cálculo da variação de energia livre-
padrão para a reação de catalisada pela
fosfoglicomutase, a 25°C e pH 7,0. No equilíbrio,
estarão presentes 1mM de glicose 1-fosfato e 19
mM de glicose 6-fosfato.
Glicose 1-fosfato   Glicose 6-fosfato
K’eq = = = 19
[Glicose 6-
fosfato] [Glicose
1-fosfato]
[19 mM]
[ 1 mM]

25. Energia livre e Constante de equilíbrio
25
 Por exemplo:
 A partir do valor da K’eq, pode-se calcular a variação de
energia livre-padrão:
ΔG’° = -RT.ln K’eq
= -(8,315 J/mol.K).(298K)(ln19)
= - 7,3 kJ/mol
 Como a variação de energia livre-padrão é negativa,
quando a reação é iniciada ela ocorre
espontaneamente.

26. A varaição da energia livre depende das
concentrações de reagentes e produtos
26
 A variação de energia livre, ΔG, e a variação de energia
livre –padrão, ΔG’°, tem significados diferentes:
 Cada reação química possui uma variação de
energia livre-padrão (ΔG’°) característica, que
pode ser positiva, negativa ou igual a zero;
 Ela indica o sentido de uma reação, bem como a
distância em que ele se encontra do equilibrio em
condições padrão:
 Concentração de 1M;
 pH = 7,0;
 Temperatura de 25°C;
 Pressão de 101,3 kPa.

27. A varaição da energia livre depende das
concentrações de reagentes e produtos
27
 A variação de energia livre, ΔG, e a variação de energia
livre –padrão, ΔG’°, tem significados diferentes:
 A variação de energia livre real (ΔG), é uma função
das concentrações do reagentes e do produto;
 Logo ΔG para a reação: aA + bB – cC + dD
ΔG = ΔG’° + RT.ln Keq
Keq = [C]c [D]d
[A]a [B]b
ΔG = ΔG’° + RT.ln [C]c [D]d
[A]a [B]b

28. As variações de energia livre-padrão são
aditivas
28
 O ΔG° de duas reações consecutivas é aditivada:
Glicose + ATP = glicose-6-fosfato + ADP (ΔG°= -4.000
cal/mol)
Glicose-6-fosfato = frutose-6-fosfato (ΔG°= + 400
cal/mol)
Glicose + ATP = frutose-6-fosfato + ADP (ΔG°= -3.600
cal/mol)

29. LEHNINGER
PROF. ALDO XAVIER - BIOQUÍMICA
29

30. Transferência do grupo fosforila e do ATP
30
 Qual a função do ATP nos processos catabólicos e
anabólicos?
 Por meio do catabolismo de moléculas nutrientes, as
células heterotróficas obtém energia livre em forma
química e a utilizam para sintetizar ATP a partir do ADP e
Pi;
 O ATP, por sua vez, transfere parte de sua energia
química para processos endergônicos, tais como:
 Síntese de intermediários metabólicos e de macromoléculas;
 Transporte de substâncias através do gradiente de
concentração;
 Movimentos mecânicos

31. ATP – Trifosfato de Adenosina
31
 O acoplamento energético em reações biológicas
ocorre quando as reações que requerem energia e
as reações que produzem energia compartilham em
intermediário em comum;
 Muitas reações acopladas utilizam o ATP como
intermediário em comum:
 Algumas reações envolvem a clivagem do ATP, ou seja, a
transferência do grupo fosfato (Pi) do ATP para outra
molécula;
 Outras reações levam a síntese de ATP pela
transferência do fosfato de um intermediário rico em
energia para o ADP, formando ATP.

32. ATP – Trifosfato de Adenosina
32
 O ATP consiste em uma molécula de adenosina
(adenina + ribose) à qual estão ligados a três grupos
fosfatos:
 Se um fosfato for removido, será produzido o difosfato de
adenosina (ADP);
 Se dois fosfatos forem removidos, teremos o monofosfato
de adenosina (AMP);
 A hidrolise do ATP é bastante negativo (exergônico)
e libera cerca de -7.300 cal/mol (-30,5 kJ/mol) para
cada um dos grupos fosfatos terminais.

33. Transferência do grupo fosforila e do ATP
33
 Essa transferência de energia do ATP a partir do
ADP e Pi, ou em algumas reações, em AMP e 2 Pi;
 A energia do ATP é liberada pelo rompimento
hidrolítico do anidrido de ácido fosfórico terminal do
ATP separando um dos três grupos fosfato
carregados negativamente, aliviando parte da
repulsão dos elétrons na molécula.

34. ATP – Trifosfato de Adenosina
PROF. ALDO XAVIER - BIOQUÍMICA
34

35. Transferência do grupo fosforila e do ATP
35
 Sob condições padrão, a variação de energia livre-
padrão (ΔG’°) para a hidrólise do ATP é -30,5kJ/mol,
mas sua energia livre real (ΔG) de hidrólise é
diferente:
 Pois as concentrações celulares de ATP, ADP e Pi não
somente são diferentes entre si, mas também muito
inferiores às concentrações padrão de 1M;
 Também o pH celular pode ser ligeiramente diferente do
pH padrão 7,0;
 Assim a energia real livre de hidrólise do ATP nas
condições intracelulares (ΔGp) difere da energia livre-padrão
(ΔG’°);

36. Transferência do grupo fosforila e do ATP
36
 Por exemplo: Nos eritrócitos humanos as concentrações
de ATP, ADP e Pi são 2,25mM, 0,25mM e 1,65mM,
respectivamente. Consideramos o pH 7,0 e a temperatura
de 25°C (valores padrão). Qual o valor real para a energia
livre da hidrólise do ATP no eritrócito?

37. Transferência do grupo fosforila e do ATP
37
 Por exemplo: Nos eritrócitos humanos as concentrações
de ATP, ADP e Pi são 2,25mM, 0,25mM e 1,65mM,
respectivamente. Consideramos o pH 7,0 e a temperatura
de 25°C (valores padrão). Qual o valor real para a energia
livre da hidrólise do ATP no eritrócito?
ΔGp = ΔG’° + RT.ln [C]c [D]d
[A]a [B]b
ΔGp = ΔG’° + RT.ln [ADP] [Pi]
[ATP]

38. Transferência do grupo fosforila e do ATP
38
 Por exemplo: Nos eritrócitos humanos as concentrações
de ATP, ADP e Pi são 2,25mM, 0,25mM e 1,65mM,
respectivamente. Consideramos o pH 7,0 e a temperatura
de 25°C (valores padrão). Qual o valor real para a energia
livre da hidrólise do ATP no eritrócito?
ΔGp = ΔG’° + RT.ln [ADP] [Pi]
[ATP]
ΔGp = -30,5° + {(8,314 J/mol).(298K).ln [0,25x10-3] [1,65x10-3]}
[2,25x10-3]

39. Transferência do grupo fosforila e do ATP
39
 Por exemplo: Nos eritrócitos humanos as concentrações
de ATP, ADP e Pi são 2,25mM, 0,25mM e 1,65mM,
respectivamente. Consideramos o pH 7,0 e a temperatura
de 25°C (valores padrão). Qual o valor real para a energia
livre da hidrólise do ATP no eritrócito?
 Assim, ΔGp, a variação de energia livre real no eritrócito é -52
kJ/mol – muito superior à variação livre-padrão (-30,5 kJ/mol).
ΔGp = -30,5 kJ/mol + { (2,48/mol).ln 1,8 x 10-4 }
ΔGp = -30,5 kJ/mol - 21 kJ/mol
ΔGp = -52 kJ/mol

40. CADEIA TRANSPORTADORA DE
ELETRONS
PARTE III
PROF. ALDO XAVIER - BIOQUÍMICA
40

41. Cadeia Transportadora de elétrons
41
 Moléculas ricas em energia, como a glicose, são
metabolizadas por uma série de reações de
oxidação, levando por fim à produção de CO2 e
água;
 Os intermediários metabólicos dessas reações
doam elétrons a coenzimas específicas, NAD+ e
FAD formando coenzimas reduzidas ricas em
energia, NADH e FADH2 :
 NAD+ (Nicotinamida-adenina-dinucleotídeo) e
 FAD (Flavina–adenina–dinucleotídeo)

42. Cadeia Transportadora de elétrons
42
 Essas coenzimas reduzidas, por sua vez, podem
doar, cada uma, um par de elétrons a um grupo
especializado de carregadores de elétrons,
coletivamente denominados transportadores de
elétrons;
 À medida que os elétrons fluem através da cadeia
transportadora de elétrons, eles perdem muito sua
energia livre:
 Parte dessa energia livre pode ser captada e
armazenada para a produção de ATP a partir do ADP e
fosfato inorgânico (Pi);
 Esse processo é denominado de Fosforilação Oxidativa;
 O restante da energia livre é liberado na forma de calor.

43. PROF. ALDO XAVIER - BIOQUÍMICA
43
NAD+
FAD
NADH + H+
FADH2
CARBOIDRATOS
ÁCIDOS
GRAXOS
AMINOÁCIDOS
CO2 + H2O
NADH + H+
FADH2
NAD+
FAD
O2
H2O
ADP + Pi
ATP
FOSFORILAÇÃO
OXIDATIVA
METABOLISMO

44. Cadeia Transportadora de Elétrons
44
 As células também possuem outros metabólitos com
energia livre;
 Todos, como o ATP, tem um potencial de
transferencia do grupo fosforila grande, são eles:
 FOSFENOLPIRUVATO;
 1-3-BIFOSFOGLICERATO;
 FOSFOCRETINA.
 O Polifosfato inorgânico (poliP) é um polímero linear
composto por centenas de resíduos Pi ligados por
meio de ligações fosfoanidrido.

45. PROF. ALDO XAVIER - BIOQUÍMICA
45