Bioq.II - MG - Bioenergetica - 2021.s2 pptx

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BIOQUÍMICA II 
 (ISCTEM. MG - 2021.s2) 
 
 
 
 
 
Principio de Bioenergética Introdução 
ao Metabolismo 
Generalidades 
 
Prof. Doutor R. Ráice 
(ruiraice@yahoo.com.br) 
 
 
[Adaptação da aula da Dra. Graça Salomé] 
 
 
 
8.Nov.2021 – 30.Abril/2022 RR-2021.s2 
 
11/9/21 
OBJECTIVOS EDUCACIONAIS 
1.  Definir: metabolismo, anabolismo, catabolismo, via 
metabólica, respiração celular 
2.  Listar as diferentes formas de regulação das vias 
metabólicas 
3.  Explicar as formas de regulação de vias metabólicas 
4.  Mencionar a importância biomédica do metabolismo 
5.  Definir bioenergética 
6.  Enunciar as principais leis da termdinâmica (1ª e 2ª lei) 
7.  Definir energia livre de Gibbs (G) e constante de 
equilíbrio (Keq) 
8.  Definir variação de energia livre actual (ΔG) 
Algumas questões para reflecção/motivação 
1.  Donde vem e quanta energia precisamos para 
fazermos as actividades (trabalhar, subir e descer 
degraus, levantar e sentar-se…)? 
2.  Porquê oxidamos glucose em CO2 e H2O usando 
várias reacções em vez de uma só? 
3.  A síntese de glucose liberta ou consome energia? 
4.  Qual é a/o forma/tipo de energia que as células do 
organismo humano utilizam para realizar as 
diferentes actividades? 
5.  É importante regular as actividades metabólicas? 
a.  Porquê? 
METABOLISMO - conceitos 
� METABOLISMO – Rede altamente integrada de 
reacções químicas coordenadas, que mantém as 
células vivas. 
¡ Catabolismo – degradação (envolve 
principalmente a oxidação) de moléculas orgânicas 
de nutrientes em produtos mais simples e 
pequenos. Há libertação de energia, (ATP, NADH, 
FADH2 e NADPH, e calor). 
 
¡ Anabolismo – síntese de moléculas ou 
macromoléulas, com consumo de energia, na forma 
de ATP, GTP ou de NADH, NADPH. 
METABOLISMO - conceitos 
● Respiração celular – conjunto de processos 
que permitem a obtenção de energia dos 
nutrientes para realizar actividades biológicas. 
●  Pode ser aeróbica (combustão completa) ou 
anaeróbica (combustão incompleta). 
● Via metabólica – Conjunto de reacções 
químicas sucessivas que levam a 
transformação de um substrato num ou mais 
produtos finais. 
 
METABOLISMO 
Respiração celular 
Respiração celular 
Respiração celular 
METABOLISMO - regulação 
Regulação das vias metabólicas 
 
●  As actividades metabólicas devem ser ajustadas 
de acordo com as necessidades fisiológicas da 
célula ou do organismo. 
 
●  A regulação pode ser feita a vários níveis dentro e 
fora da célula. 
● Dentro da célula: regulação da actividade enzimática; 
compartimentalizaçao dos processos; 
● Fora da célula: envolvimento do sistema neuroendócrino 
METABOLISMO-regulação 
� Regulação de actividade enzimática. 
§  Enzimas que catalisam reacções irreversíveis e de 
compromisso são sujeitas aos mecanismos de controle 
e regulação 
§  __+_ estimulação 
§  __-_ inibição 
 
METABOLISMO-regulação 
A influência regulatória (estimulação ou inibição) 
pode ser resultado de: 
 
Ø  Quantidade ajustada: ↑ ou ↓de síntese ou degradação – 
controle adaptativo. 
Ø  Modifcação covalente (ex.: fosfo e desfosforilação). 
Ø  Regulação alostérica. 
Ø  Inibição competitiva, não-competitiva, descompetitiva. 
Ø  Indução enzimática. 
Ø  Inibição por feedback. 
 
METABOLISMO - regulação 
●  Hormonas podem regular a síntese ou 
degradação de enzimas metabólicas ou o seu 
estado de actividade. 
 
 Elas são libertadas após estímulo fisiológico 
(stress, refeição, exercício físico, fome, etc.), e 
coordenam as actividades de diferentes tecidos 
nessas situações 
METABOLISMO - regulação 
� A compartimentalização dos processos químicos 
contribui na regulação do metabolismo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
¢ As concentrações dos intermedários, das enzimas 
reguladoras, podem ser mantidas a níveis diferentes 
nesses compartimentos 
METABOLISMO – importância clínica 
●  Deficiencias enzimáticas à doenças metabólicas 
●  Manifestações clínicas são resultants da falta do produto final 
ou do acúmulo do susbtrato da enzima ou ambos. 
●  Ex.: Deficiência de Orotidilato descarboxilase leva a 
deficiência de UTP, CTP e TTP com acúmulo de OMP e 
orotato. 
●  Deficiência de vitaminas e minerais, presença de 
toxinas e desordens endócrinas podem perturbar 
as vias metabólicas 
●  Ex.: deficiência de tiamina resulta no deficientee 
catabolismo de glícidos. 
 O chumbo inibe enzima que participa na sintese do 
 Heme 
 A deficiência de insulina leva a perturbaçção no 
 metabolism de glícidos, lípidos e proteínas 
METABOLISMO – importância clínica 
BIOENERGÉTICA 
(Generalidades) 
17 
BIOENERGÉTICA 
 Estudo quantitativo das transduções de energia 
que ocorrem nas células vivas, e da natureza e 
função dos processos químicos que constituem a 
base dessas transduções 
 
Transdução de energia = mudança de uma forma 
para outra 
 Química para mecânica, mecânica para térmica, 
 química para eléctrica, etc. 
BIOENERGÉTICA 
� Sistema a reagir = colecção de matéria que está a 
sofrer um determinado processo químico ou físico. 
 O sistema pode ser um organismo, uma célula 
 ou dois compostos a reagir. 
 
� Universo = sistema a reagir + meio circundante 
 
¡ Sistema aberto: há troca entre o sistema e o meio 
circundante (ex.: corpo humano) – sistemas 
biológicos. 
¡ Sistema fechado: não há troca entre o sistema e o 
meio circundante (tubo de ensaio fechado e 
isolado) – é possível no laboratório 
BIOENERGÉTICA 
 As transformações bioquímicas obedecem as leis da 
termodinâmica 
 
1ª lei: é o princípio da conservação da energia 
 Para qualquer mudança física ou química, a energia total 
no universo mantém-se constante. 
 
 A energia pode mudar de forma ou ser transportada de 
um lugar para outro mas nunca é criada nem destruída. 
 
 
2ª lei: Em todos os processos naturais, a entropia do 
universo aumenta. 
 O universo tende sempre para o aumento da desordem. 
BIOENERGÉTICA 
� Os sistemas vivos nunca estão em equilíbrio com 
o meio circundante. 
� Os organismos criam ordem (sintese de proteínas de 
ADN,etc.) neles. 
� Mas as transações entre o sistema e meio circundante 
são constantes. 
¡  Assim a ordem criada nos organismos (crescimento, 
divisão celular,etc) é compensada pela desordem no meio 
circundante, aumentando assim a entropia do universo não 
sendo deste modo contrariada a 2ª lei da termodinâmica. 
BIOENERGÉTICA 
●  Organismo ordenado 
nutrientes	
e	luz	solar	
	
calor	e	entropia	
BIOENERGÉTICA 
� Organismos e células vivas necessitam de 
realizar trabalho para viver, crescer e reproduzir. 
� Uma forma de realizar trabalho é do aumento da 
temperatura 
 
 
 
 
 
O calor não realiza trabalho nas células vivas. 
BIOENERGÉTICA 
●  As células são sistemas isotérmicos que devem 
utilizar a energia livre para realizar trabalho. 
●  Energia livre de Gibbs: G = Energia capaz de 
realizar trabalho durante uma reacção, a 
temperatura e pressão constantes 
BIOENERGÉTICA 
� Organismos obtêm energia livre: 
¡ Fotossintéticos Radiação solar. 
¡ Heterotróficos Nutrientes. 
 
 
 Ambos transformam energia livre em 
ATP e em outros compostos ricos em 
energia, capazes de proporcionar 
energia para realizar o trabalho 
biológico a temperatura constante. 
BIOENERGÉTICA 
●  Variação de energia livre: ∆G = Gp – Gr 
●  Depende da concentração dos produtos e 
reagentes 
ΔG < 0 - reacção é exergónica 
ΔG > 0 - reação é endergónica 
BIOENERGÉTICA 
Entalpia: H = conteúdo de calor de um sistema a 
reagir. 
 Variação de entalpia: ∆H = Hp - Hr 
●  reacção é endotérmica: ∆H > 0 
●  reacção é exotérmica: ∆H < 0 
 
Entropia: S = representa quantitativamente a 
desordem num sistema. 
 Variação na entropia: ∆S = Sp – Sr 
●  Quando S do sistema aumenta : ∆S > 0 
●  Quando S diminui: ∆S < 0 
BIOENERGÉTICA 
●  Num sistema que reage espontaneamente 
●  ∆G < 0 
●  ∆S > 0 
●  ∆H < 0 
●  Nas condições existentes nos sistemas 
biológicos,que incluem temperatura e pressão 
constantes: 
 ∆G = ∆H - T∆S 
Princípios de Bioenergética 
 
OBJECTIVOS EDUCACIONAIS 
8.  Definir variação de energia livre padrão (ΔG’o) 
9.  Explicar a relação entre ΔG e ΔG’o 
10.  Explicar a relação entre a constante de equilíbrio (Keq) e 
ΔG’o e a direcção da reacções químicas sob condições 
padrão. 
11.  Explicar como se relacionam os valores de ΔG’o e Keq 
numa série de reacções consecutivas 
12.  Listar pelo menos cinco compostos com ligações de alta 
energia. 
13.  Explicar a relacao entre a ΔG’o e ΔΕ’o 
14.  Calcular ΔG e ΔG’o, Keq, ΔΕ’o 
BIOENERGÉTICA 
� ∆G’º - Variação de energia livre padrão: 
 variação de energia livre em 
condições padrão 
¢  T-25ºC, 
¢  Concentração dos produtos e 
reagentes 1 M, 
¢  Pressão parcial dos gases 1 atm. 
¢  pH = 7 
 
� ∆G’º é a força que conduz o sistema ao 
equilíbrio. É constante (condições padrão) 
e é característica para cada reacção. 
 
BIOENERGÉTICA 
Relação entre ∆G e ∆G’º 
 
 
� ∆G depende da concentração ds reagentes e dos 
produtos, 
¡ No equilíbrio ([reagentes] = [produtos]), ΔG = zero. 
¡ Assim: 
∆G’º é um meio matemático simples 
de expressar a constante de 
equilíbrio (Keq) duma reacção. 
BIOENERGÉTICA 
Relação entre ∆G e ∆G’º durante o transporte 
transmembrana 
 
�  O transporte contra gradiente de concentração consome energia. 
Esse processo possui ∆G’º = 0 porque não ocorre quebra nem 
formação de ligações químicas. 
¡  Assim a ∆Gt = RTln(C2/C1) onde 
 C2 – concentração da substancia no local de onde é transportada. 
 C1 – concentração da substancia no local para onde é transportada. 
 
�  Se a substancia transportada é um iao a formula fica: 
�  ∆Gt = RTln(C2/C1) + zF∆ψ onde 
 z – é a carga do iao 
 F – constante de Faraday 
 ∆ψ – potencial transmembrana 
BIOENERGÉTICA 
Algumas constantes físicas e unidades usadas na 
termodinâmica 
 
� Constante dos gases: R = 8,315 J/mol.K (1,987 
Cal/mol.K) 
� Constante de Faraday: F = 96480 J/V.mol 
� Unidade de ΔG e ΔH é J/mol (Cal/mol) 
¡ 1 Cal = 4,184 J 
� Unidade de temperatura absoluta é Kelvin (K) 
¡  Temperatura absoluta = temperatura em graus Celsius + 273 
¡  0ºC = 273K 
●  Dada a reação: 
2Fosfato inorgânico ↔ Pirofosfato K’eq = 2138,5 
 
● Calcule a variação da energia livre padrão da reação. 
T=25ºC, pH=7, R=8,315 J/mol.K. 
 = - 18.999,96 J/mol = -19 KJ/mol 
∆G’º = - (8,315 J/mol.K) . 298 K . ln 2138,5 =? 
BIOENERGÉTICA 
 Relação entre Keq, ∆G’º e a direcção das reacções 
químicas sob condições padrão: 
 A + B C + D 
 
●  A espontaneidade de uma reacção é dada pela ∆G e 
não pela ∆Gº’. Mas ∆G não dita a ocorrência da 
reacção a uma velocidade alta. [TPC – Justifique!!] 
 Ex: Combustão da madeira 
Quando 
Keq é 
∆G’º é Iniciando com 1M de cada componente, 
a reacção: 
> 1,0 Negativo Procede na direção dos produtos 
1.0 Zero Está em equilíbrio 
< 1,0 Positivo Procede na direcção dos reagentes 
BIOENERGÉTICA 
●  Nas células vivas o aumento da temperatura não 
seria ideal dado que as células funcionam dentro 
de limites estreitos de temperatura. 
 
●  as reacções seriam muito lentas sem catalizadores 
e esta lentidão não seria compatível com a vida. 
● As enzimas diminuem a energia de activação, 
acelerando as reacções termodinamicamente 
favoráveis sem alterar a K’eq. 
 
BIOENERGÉTICA 
BIOENERGÉTICA 
●  Nas vias metabólicas em que há uma série de 
reacões consecutivas: 
 ∆G’º total = ∆G’º1 + ∆G’º2 + ∆G’º3 + ..... + ∆G’ºn 
 
 K’eqtotal = K’eq1 x K’eq2 x K’eq3 x ....... x K’eqn 
 
 
●  Este princípio da bioenergética explica como é que as 
reacções endergónicas (termodinamicamente não-
favoráveis) podem ser conduzidas, estando acopladas a 
reacções exergónicas (termodinamicamente 
favoráveis), através de um intermediário comum. 
BIOENERGÉTICA 
BIOENERGÉTICA 
Ex: sintese de Glucose 6-Fosfato: 
1.  Glucose + Pi Glucose 6-P + H2O ∆G’º = +13.8 Kj/mol 
2.  ATP + H2O ADP + Pi ∆G’º = -30,5 Kj/mol 
Ambas reacções partilham intermediários: H2O e Pi 
 
Gluc + Pi Gluc 6-P + H2O ∆G’º=+13,8 Kj/mol K’eq1 = 3,9.10-3 
M-1 
 
ATP + H2O ADP + Pi ∆G’º= -30,5 Kj/mol K’eq2 = 2,0.105 M 
+________________________ +______________ X____________ 
Gluc + ATP Gluc 6-P + ADP ∆G’º= -16,7 Kj/mol K’eqtotal = 7,8.102 
BIOENERGÉTICA 
� A energia armazenada no ATP é usada para conduzir 
a reação de síntese de Glucose 6-P, apesar da sua 
formação a partir de Glucose e Pi, ser endergónica. 
¡ Assim a reação total é exergónica. 
¡  Essa condução é feita por um mecanismo de 
transferência de grupo e não por hidrolise. 
 
� Esta estratégia de intermediário comum é empregada 
pelas células vivas para a síntese de intermediários 
metabólicos e de componentes celulares. 
¡ Esta funciona quando há disponibilidade de 
compostos ricos em energia como o ATP e a 
creatina fosfato. 
BIOENERGÉTICA 
●  Compostos com alto nível de energia livre de hidrolise 
 São aqueles cuja hidrólise cursa com a libertação de grande 
quantidade de energia. 
 
 Esta é muitas vezes usada 
 para conduzir outras 
 reações energeticamente 
 desfavoráveis em 
 condições fisiológicas. 
 
 
O ATP é o composto que 
é mais usado pelas células. 
Acoplamento de reacções 
BIOENERGÉTICA 
●  Energia livre de hidrolise do ATP 
●  É a repulsão electroestática dos grupos fosforil do ATP e a 
estabilização em ressonância dos produtos da hidrólise que 
favorecem a grande variação da energia livre desta reação. 
BIOENERGÉTICA 
●  AMP~P~P AMP~P + Pi (ATP ADP + Pi) 
●  AMP~P AMP + Pi (ADP AMP + Pi) 
 
Alternativamente: 
●  AMP~P~P AMP + P~Pi (ATP AMP + PPi) 
●  
●  P~P 2 Pi (PPi 2 Pi) 
BIOENERGÉTICA 
●  ATP – É a moeda de energia que liga o catabolismo e o 
anabolismo. A sua energia é usada para vários 
processos vitais na célula (transporte activo, contração 
muscular,etc) 
BIOENERGÉTICA 
Nutrientes armazenados 
Alimentos ingeridos 
Fotões solares 
 
Reacções	catabólicas	
(vias	exergónicas)	
CO2	
NH3	
H2O	
Precursores	
Produtos	simples	
	
Trabalho osmótico 
Trabalho mecânico 
Biomoléculas complexas 
Outros trabalhos celulares 
Reacções	anabólicas	
(vias	endergónicas)	
ADP 
+ 
Pi 
ATP 
BIOENERGÉTICA 
Oxidação e redução 
 
●  Envolve transferência de eletrões de uma espécie química 
para outra. 
 O composto que perde eletrões é oxidado e o que ganha 
eletrões é reduzido. 
 
●  Potencial redox exprime a tendência de um aceitador de 
eletrões (de um par redox) receber eletrões. 
 
 
 ou 
 
●  O fluxo de eletrões é feito do par redox com menor potencial 
redox padrão (Eo) para o de maior potencial redox (Eo). 
 
BIOENERGÉTICA 
●  ∆Eº = Eo do aceitador - Eo do dador 
● ∆Eº informa sobre o sentido do fluxo de eletrões 
●  Unidade de ∆Eº - Volt (V) 
 
●  O fluxo de eletrões nas reações de oxidação e redução 
liberta energia que é responsável, direta ou indiretamente 
por todo o trabalho realizado pelos organismos vivos. 
●  A relação entre ∆E e ∆G ou ∆E’o e ∆G’º é dada pela 
equação 
●  Assim é possível calcular a ∆G a partir de ∆E 
BIOENERGÉTICA 
Transportadores de eletrões especializados 
� NAD+ e NADP+- funcionam como aceitadores 
de eletrões nas vias catabólicas. São 
coenzimas, que se ligam reversivelmente a 
enzima. 
 NAD(P)+ + 2 e- + 2H+ → NAD(P)H + H+ 
 
� FAD e FMN– também funcionam como 
aceitador de eletrões. São grupos prostéticos. 
 FAD + 2 e- + 2 H+ → FADH2 
 FMN + 2 e- + 2 H+ → FAMH2 
●  Outros: Ubiquinona, citocromos a, b, c, etc
 
BIBLIOGRAFIA 
v  A. Lehninger - LEHNINGER: Principles 
of Biochemistry. 4ª Edição – FREEMAN. 
2005 
v  R. K. Murray; D.K.Granner; P.A.Mayes; 
V. W. Rodwell - Harper’s Biochemistry - 
26ª Edição – McGraw-Hill. 2003 
v  G. Meisenberg; W. Simmons – 
Principles of Medical Biochemistry –Mosby. 1998