4. MAS, qual é a fonte de energia?
Como obter energia?
Como utilizar energia?
É necessária para os
organismos vivos
executarem diversas
funções biológicas
1) Movimento
2) Transporte
ativo
3) Síntese
7. • Obrigatórios: Utilizam O2 como
agente oxidante para obter energia.
AERÓBICOS
• Facultativos: Ausência ou
presença de oxigênio Ex. Escherichia coli
ANAERÓBICOS
• Utilizam agentes oxidantes como
sulfato e nitrato. Ex.: Bactérias
nitrificantes, sufulrosas como
Acidithiobacillus ferrooxidans.
*Obrigatórios*: morrem na presença de
O2 Ex. Bacilo causador do tétano (Clostridium tetani).
Organismos
8. Uma série de reações químicas intrincadas que permitem obter,
armazenar e utilizar energia para realização das funções celulares.
As reações cooperam para 4 funções:
v Obter e energia química (luz solar ou nutrientes);
v Converter nutrientes à moléculas próprias da célula
(precursores)
v Polimerizar macromoléculas;
v Sintetizar e degradar biomoléculas especializadas.
Metabolismo
10. à Catabolismo:
Via degradativa
- Extração de energia
- Simplificação das
moléculas a compostos
comuns
è Exergônica
à Anabolismo:
Via Biossintética
- Utilização de energia na
forma de Trabalho
- Síntese de biomoléculas
- Multiplicação
è Endergônica
Vias Metabólicas
11. Vias Metabólicas
As vias catabólicas e anabólicas estão relacionadas
O ATP e o NADPH produzidos pela degradação de metabólitos complexos
são fonte de energia para reações biossintéticas e outras reações
12. è Termodinâmica e metabolismo
è O fluxo de moléculas e energia ocorrem
em vias
à Catabolismo:
- Extração de energia
- Simplificação das moléculas a compostos
comuns
à Anabolismo:
- Utilização de energia na forma de Trabalho
- Síntese de moléculas complexas
- Multiplicação
14. Mapa Metabólico
- Sumariza a
interdependência e
coordenação das
reações anabólicas e
catabólicas
- Mais de 1000
reações podem
ocorrer ao mesmo
tempo na E. coli
- Mais de 2000
reações
conhecidas
catalisadas por
enzimas
diferentes
- São simples e
de tipos comuns
15. Vias Anfibólicas
Conjunto de reações que podem ser tanto Anabólicas como Catabólicas.
àDependem da condição energética da célula
à Biossíntese e degradação são quase sempre distintas
1 Ocorrem por vias diferentes.
2 Envolvem enzimas diferentes numa mesma via.
3 Podem ser compartimentalizadas.
4 – Vias irreversíveis
5 – Possuem etapas limitantes
16. As vias metabólicas ocorrem em locais
específicos das células
• Mitocôndria: ciclo do ácido cítrico, fosforilação oxidativa, oxidação de ácidos
graxos, degradação de aminoácidos
• Citosol: glicólise, via das pentoses-fosfato, biossíntese de ácidos graxos,
gliconeogênese
• Lisossomo: digestão enzimática
• Núcleo: replicação e transcrição de DNA, processamento do RNA
• Aparelho de Golgi: processamento pós-traducional de proteínas de membranas e
proteínas secretoras, formação da membrana plasmática e vesículas
• RER: síntese de proteínas ligadas a membranas e proteínas secretoras
• REL: biossíntese de lipídeos de esteróides
• Peroxissomos (glioxissomos): reações de oxidação, catalisadas por aminoácido-
oxidases e catalase, reações do ciclo do glioxilato nas plantas
17. A vida demanda de Energia
Mesmo em repouso, a maquinaria bioquímica está permanentemente extraindo e
utilizando energia.
TERMODINÂMICA
Área da ciência que se dedica ao estudo da ENERGIA e seus efeitos
A vida traz desafios, mas obedece as Leis da Termodinâmica
1º Lei da Termodinâmica è a “Energia é conservada”, não pode ser criada ou destruída,
‘apenas transformada’.
2º Lei da Termodinâmica è um processo será espontâneo se o CAOS do Universo
aumentar.
Sistema + Vizinhança = Universo
A Vida e Ordem
Como a Vida pode acontecer num sistema ordenado, considerando a 2º lei da
Termodinâmica?
Como criar ordem a partir do caos???
18. Termodinâmica:
é o conjunto de princípios que regem as transformações de energia.
A energia não pode ser criada nem destruída, a quantidade de energia no
universo é constante. Pode, somente, mudar a forma ou o local em que ela se
apresenta.
Nos processos espontâneos existe uma tendência a
aumentar o grau de desordem. O universo sempre
tende para a desordem crescente: em todos os
processos naturais a entropia do universo
aumenta.
19. Expressa a quantidade de energia
capaz de realizar trabalho durante uma
reação a temperatura e pressão
constantes
DG= DH -T DS
20. Energia livre de Gibbs, G:
Quando a reação libera energia a variação na energia livre de Gibbs tem sinal negativo
DG<0 (exergônica)
Quando a reação absorve energia a variação na energia livre de Gibbs tem sinal positivo
DG>0 (Endergônica)
Entalpia, H:
É o conteúdo de calor de um sistema.
Reflete o número e o tipo de ligações químicas nos reagentes e nos produtos
Quando uma ligação libera calor DH tem, por convenção ,um sinal negativo.
DH< 0 (Exotérmica)
Quando uma ligação absorve calor DH tem, por convenção ,um sinal positivo
DH>0 (Endotérmica)
Entropia, S:
É uma expressão do grau de desordem de um sistema.
Quando os produtos de uma reação são menos complexos ou mais desordenados que os
reagentes a reação ocorre com ganho de entropia
DS>0 (Aumento da desordem)
DS<0 (Diminuição da desordem)
Os componentes de ΔG
21. Entendendo os componentes de ΔG
ΔG: variação na energia livre
* Energia livre para realizar trabalho
* Aproxima-se de 0 assim que uma
reação atinge o equilíbrio
* Prevê se uma reação é favorável ou
espontânea
ΔH: variação na entalpia
* Calor liberado ou absorvido durante a
reação
* NÃO prevê se uma reação é favorável
ΔS: variação na entropia
* Aumento ou diminuição do grau de
desordem
* NÃO prevê se uma reação é favorável
Ocorre perda líquida de energia. A reação ocorre espontaneamente.
Reação exergônica
Reação em equilíbrio à NÃO OCORRE NOS ORGANISMOS VIVOS
à “Desequilíbrio” existe a custa de energia (retirada do meio)
Ocorre ganho líquido de energia. A reação NÃO ocorre espontaneamente.
Reação endergônica
22. è Vida versus 2º Lei da Termodinâmica
- A vida ocorre com a ΔS < 0 local a custas da ΔS > 0 do meio externo
- A quebra de nutrientes ajuda a reduzir localmente a entropia
à Os organismos vivos são SISTEMAS ABERTOS EM EQUILÍBRIO ESTACIONÁRIO COM O
MEIO.
àTermodinâmica clássica à sistemas ISOLADOS à troca ENERGIA com o MEIO
à atinge, INEXORAVELMENTE, o EQUILÍBRIO com a vizinhança
- VIDA à SISTEMA ABERTO à troca MATERIA E ENERGIA com o MEIO
à Não atinge o EQUILÍBRIO com o MEIO à Se atingir à MORTE
Os organismos vivos preservam a sua ordem interna pela retirada de
energia do meio na forma de nutrientes ou energia solar, e devolvem
para o meio na forma de calor e entropia
23. è Vida versus 2º Lei da Termodinâmica
à Os organismos vivos ingerem substância com ALTA ENTALPIA e BAIXA ENTROPIA e os
convertem em compostos com BAIXA ENTALPIA e ALTA ENTROPIA
àO conteúdo ENTRÓPICO dos alimentos é tão importante como o ENTÁLPICO.
à A energia é transformada (1º Lei da Termodinâmica)
- Sistema organizado à Baixa Entropia à é mantido
à Estado estacionário à Fluxo constante mantido pelo gradiente de concentração ou pelo
gasto de ΔG;
à O gasto de ΔG ocorre de modo “morro abaixo” através do acoplamento de processos
endergônicos e exergônicos
à O sistema é dissipativo à Rendimento é “baixo”
24. èVida versus 2º Lei da Termodinâmica
a) Organismos vivos extraem energia da sua vizinhança
à Envolvem Reações de Óxido-Redução
b) Parte da Energia é convertida em trabalho
c) Parte da Energia é convertida em Calor
à > ΔS da vizinhaça
d) Liberação de produtos na forma de moléculas simples
à > ΔS da vizinhaça
e) Parte da energia é utilizada para síntese de moléculas
complexas
à < ΔS local à ordenamento
2ª Lei da termodinâmica: entropia do universo
aumenta durante os processos químicos e físicos
MAS NÃO REQUER que o aumento ocorra dentro
do próprio sistema reativo
25. Termodinâmica e Acoplamento de reações
ΔG0 = ΔG equivalente à condição de equilíbrio na condição padrão
à Segundo a equação, a ΔG depende da concentração dos reagentes
Se ΔG = 0 à no equilíbrio à
A
B
B + C
D
ΔG0’ = + 5 kcal/mol
ΔG0’ = - 8 kcal/mol
A C + D ΔG0’ = - 3 kcal/mol
eq
DG = DG0
+ RT ln K eq eq
eq eq
K e q
]d
]b
[ C ]c
[ D
=
[ A ]a
[ B
eq
DG0
= -RT ln K = DH - TDS
26. O Acoplamento de reações
à Uma reação termodinamicamente não-favorável pode ser transformada em uma
favorável através do acoplamento de uma reação termodinamicamente favorável.
à Ativação de reagentes
à Conformação ativada da proteína
à Gradiente de íons
27. Reações com valores de ΔG
próximos de ZERO podem ser
facilmente revertidas pela
mudança nas concentrações de
produtos e de reagentes
Termodinâmica de algumas reações bioquímicas
28. 1 A
Y X
2 ΔG0’ < 0
ΔG0’ < 0
Termodinâmica de algumas reações bioquímicas
è Reações com valores de ΔG próximos de ZERO podem ser facilmente
revertidas pela mudança nas concentrações de produtos e de reagentes
Entretanto, certas enzimas que operam longe do equilíbrio estão
estrategicamente localizadas nas vias metabólicas:
– As vias metabólicas são “irreversíveis”
– Cada via metabólica possui uma etapa inicial limitante
– As vias catabólicas e anabólicas são distintas
As rotas de inter-conversão independentes permitem a existência de sistemas de
controle independentes.
29. Adenosina Trifosfato
è 1 das 100 moléculas essenciais - Metabólitos primários - para a Vida
è Moeda universal de Energia na Bioquímica
ATP + H2O
ATP + H2O
ADP + Pi
AMP + PPi
ΔG0’ = - 7,3 kcal/mol
ΔG0’ = - 10,9 kcal/mol
à A hidrólise de ATP é Exergônica
30. Adenosina Trifosfato
A hidrólise de ATP impulsiona o Metabolismo ao deslocar o equilíbrio
À 25 oC a Keq será:
A B ΔG0’ = + 4,0 kcal/mol
0
= 10-DG '/ 298,15*1,987*2.303
= 0,00115
eq
[A]
=
[B]eq
eq
K '
A + ATP + H2O B + ADP + Pi ΔG0’ = - 3,3 kcal/mol
ΔG0’Total= + 4,0 kcal/mol + (- 7,3 kcal/mol) = - 3,3 kcal/mol
O Acoplamento da hidrólise de ATP permite reverter um processo não-favorável num
favorável num fator de 105 vezes em condições padrão.
0
= 10-DG '/ 298,15*1,987*2.303
= 262
eq
[A]eq [ATP]eq
=
[B]eq
x
[ADP]eq [Pi]eq
K '
31. Adenosina Trifosfato
è A ΔG de hidrólise de ATP dentro de uma célula é de 12000 cal/mol (12 kcal/mol)
O que explica o alto potencial doador de fosforila do ATP???
ADP + Pi ΔG0’ = - 7,3 kcal/mol
ATP + H2O
Glicerol 3-Fosfato + H2O Glicerol + Pi ΔG0’ = - 2,2 kcal/mol
32. Adenosina Trifosfato
èA ΔG de ativação da hidrólise de ATP é alta e somente a hidrólise enzimática é viável
1) Produto da hidrólise é estabilizado por ressonância
2) Repulsão eletrostática no ATP evita
as estruturas de ressonância
3) Ionização dos produtos da hidrólise de ATP
4) Estabilização dos produtos de hidrólise por hidratação
A ligação fosfodiéster NÃO É rica em energia!!!
33. Oxidação de compostos Carbonados
è Um ser humano típico (70 kg) tem aproximadamente 100 g de ATP
è ATP tem um alto número de renovação – turnover number
- Em repouso: 40 kg de ATP em 24 horas à 28 g/min
- Em exercício vigoroso à 500 g/min
- Para corrida de 2 horas à 60 kg de ATP
O Organismo está constantemente oxidando
combustíveis para formar ATP
Quanto mais reduzido o Carbono maior a energia extraída
34. Potencial doador de Fosforila
è O ATP não é a única molécula na célula capaz de doar fosforilas
è Existem moléculas com maior potencial doador de fosforila do que o ATP
São moléculas
formadas a partir
da oxidação dos
combustíveis:
Compostos
carbonados
35. Potencial doador de Fosforila
èO ATP não é a única molécula na célula capaz de doar fosforilas
è Existem moléculas com maior potencial doador de fosforila do que ATP
São capazes de doar Pi para o ADP
è Fosforilação “ao nível do
substrato”
è Posição intermediária permite
que o ATP funcione como
carreador de fosforilas.
è Funcionam como Tampões de
fosforilas para o ATP
36. Potencial doador de Fosforila
è Creatina-Fosfato é um tampão de Pi na célula muscular
è Seu alto potencial doador de Pi permite formar ATP a partir de ADP no exercício
A quantidade de ATP
disponível na célula
muscular é suficiente para
apenas 1 segundo de
exercício extenuante.
37. Síntese de ATP
è Pequena parte do ATP é obtido a partir da “fosforilação ao nível do substrato”
- Anaeróbica
è Maior parte é formada por uma BOMBA DE PRÓTONS movida por um gradiente de
concentração
- Aeróbica
Membrana
46. As Reações Recorrentes do Metabolismo
2) Reações de Ligação (Ligases)
- União de moléculas à custas da energia livre da clivagem de ATP
3) Reações de Isomerização (Isomerases)
- Reações de rearranjo molecular è Prepara a molécula para reações subsequentes
47. As Reações Recorrentes do Metabolismo
4) Reações de transferência (Transferases)
- Muito variáveis
- Grupo fosforila é transferido do ATP para outra molécula
- Ativação de substrato
48. As Reações Recorrentes do Metabolismo
5) Reações de Hidrólise (Hidrolases)
- A água quebra uma ligação à quebra de macromoléculas
49. Controle do fluxo metabólico
1. Controle alostérico – regulação por retroalimentação
A B C D
2. Modificações covalentes – inter-conversão enzimática
