Aula 9 Bioenergética [Modo de Compatibilidade]

Prévia do material em texto

Bioenergética e Introdução
ao Metabolismo
Bioenergética
• Estuda a transformação e utilização de energia pelos seres vivos
• A formação e a quebra de biomoléculas envolve mudanças de 
energia química
Energia
• Formas de energia:
-Elétrica, Luminosa, Térmica, Mecânica,
Nuclear, Química, etc...
- São todos interconversíveis!
���� As células vivas são usinas capazes de transformar 
energia
PRINCÍPIOS DE BIOENERGÉTICA
Células e organismos 
necessitam realizar 
trabalho para: a 
manutenção da vida, 
crescimento e para 
sua reprodução
Trabalho químico: síntese dos componentes celulares
Trabalho osmótico: acúmulo e retenção de sais e outros compostos 
contra gradiente de concentração (transportes pela membrana)
Trabalho mecânico: contração muscular e movimentação de flagelos
BIOENERGÉTICA
Bioenergética descreve como os organismos vivos 
capturam, transformam e usam energia 
Todos os 
organismos vivos 
derivam sua energia 
direta ou 
indiretamente da 
energia radiante da 
luz solar 
Os organismos vivos 
são 
interdependentes, 
trocando energia e 
matéria através do 
meio ambiente
Termodinâmica: ramo das ciências físicas que 
trata das mudanças energéticas 
Leis da termodinâmica
Primeira lei: Lei da conservação de energia: Numa modificação 
química ou física, a quantidade total de energia no universo 
permanece constante, embora a forma de energia possa mudar
As células são transdutoras de energia: capazes de converter 
energia química, eletromagnética, mecânica e osmótica com 
muita eficiência
Segunda lei: Em todos os processos naturais a entropia do 
universo aumenta
Definição de entropia: energia em estado de desordem ou 
distribuída ao acaso
Qualitativamente pode ser descrita como “desordem” ou “caos” 
manifestada de várias maneiras � mede a parte da energia que 
não pode ser transformada em trabalho
ORGANISMOS VIVOS SÃO
ALTAMENTE ORDENADOS,
ESTRUTURAS NÃO RANDÔMICAS, 
IMENSAMENTE RICOS EM 
INFORMAÇÃO E ENTÃO
POBRES EM ENTROPIA 
VIOLAÇÃO DA SEGUNDA LEI?
Sistema aberto
Matéria Energia
VIZINHANÇA
Seres vivos são sistemas 
abertos, que trocam matéria 
(nutrientes e produtos de 
excreção) e calor (do 
metabolismo) com seu meio e 
nunca estão em equilíbrio
Organismo + meio = universo
Entropia do universo 
As células são transdutoras de energia
• Os organismos vivos extraem energia do 
seu meio ambiente
• Convertem parte dela em formas de 
energia úteis para a produção de 
trabalho
• Fazem retornar parte da energia para o 
meio ambiente na forma de calor
• Liberam moléculas de produtos finais, os 
quais são menos organizados do que as 
moléculas iniciais, aumentando assim a 
entropia do universo. 
* Durante as transduções metabólicas a entropia 
aumenta à medida que diminui a energia potencial
das moléculas nutrientes complexas.
• Nas reações que ocorrem espontaneamente, os produtos têm menos
energia livre que os reagentes, portanto a reação libera energia disponível
para realizar trabalho:
∆G = (-) Reação exergônica (∆G < 0)
• Se o produto tem maior G do que o reagente:
Ao contrário: ∆G = (+) Reação endergônica (∆G > 0)
• Processo em equilíbrio: (∆G = 0)
Cada composto envolvido em uma reação química contém 
uma certa quantidade de energia potencial (G: energia 
livre).
Energia livre de Gibbs (G)
Reações Espontâneas e Não Espontâneas
- Reação espon-
tânea (∆G0’ < 0)
Reação 
Exergônica
- Reação Não Es-
pontânea(∆G0’ > 0)
Reação 
Endergônica
Expressão Matemática da 
2ª Lei da termodinâmica
∆G = ∆H – T ∆S
Onde: 
�∆G = Variação de Energia Livre de 
Gibbs
�∆H = Variação de Entalpia 
(conteúdo de calor)
� T = Temperatura absoluta (K)
�∆S = Variação da Entropia
DEFINIÇÃO DE ΔG (Energia livre de Gibbs)
ΔG = ΔH - TΔS
G = Energia livre: 
Energia capaz de 
realizar trabalho
durante uma reação 
a T e P constante:
Se a reação libera 
energia livre 
∆∆∆∆G = (-) exergônico
Se ganha energia 
livre
∆∆∆∆G = (+)
endergônico
S = Entropia:
expressão 
quantitativa para 
desordem 
e caos: 
Se os produtos 
são menos 
complexos e mais 
desordenados:
ganho de 
entropia
∆∆∆∆S = (+)
H = Entalpia:
conteúdo de calor de 
um sistema de 
Reação (calor liberado 
ou absorvido; reflete 
o conteúdo de energia 
de cada reagente e 
produto
H reg > H prod:
∆∆∆∆H = (-) exotérmico
H reg <<<< H prod:
∆∆∆∆H = (+)
endotérmico
Dois processos espontâneos: um 
endotérmico e outro 
exotérmico!
Dissolução do
NaCl
NaCl(s)→ Na+
(d) + Cl−(d)
Oxidação do
hidrogênio
H2(g) +½O2(g) →→→→ H2O(llll)
Energia Livre de Gibbs (G):
• Realiza trabalho a T e P constantes
( Isobárica e Isotérmica ) 
É a forma de energia utilizável
pelo nosso organismo.
Numa reação química qualquer:
A B
Reagente Produto
• A variação da Energia Livre de Gibbs (∆G) é 
calculada por: 
∆G = Gfinal – Ginicial
Onde:
Gfinal é o conteúdo de energia livre de Gibbs 
do Produto (B)
Ginicial é o conteúdo de energia livre de Gibbs 
do Reagente (A).
O valor numérico de ∆G
• Pode ser : Positivo (∆G >0)
Zero (∆G = 0 )
Negativo (∆G < 0 )
- É possível de ser calculado se as con-
dições da reação forem conhecidas
- Quais condições?
- Concentrações iniciais de Reagente(s) 
e de Produto(s), Temperatura, Pressão
e pH.
Condições das Reações Químicas?
Qualquer reação química depende da Temperatura, Pressão, 
pH e Concentrações de reagentes e de produtos.
As condições fisiológicas são variáveis, principalmente, no 
que diz respeito às oscilações das concentrações dos 
reagentes e produtos ( são consumidos e/ou formados). 
- Como calcular o ∆G? 
- Como comparar os valores de ∆G calculados em condições 
distintas?
- Como analisar os valores de ∆G?
Condições Padrões de Sistemas 
Biológicos
• Condições estipuladas:
- Temperatura: 298 K ( 25oC )
- Pressão: 1 atm
- pH : 7,0
- Concentração inicial de reagente(s): 1mol/L
- Concentração inicial de produtos(s): 1 mol/L
Condições estipuladas pelos
Físico-Químicos!
Em Condições Padrões de Sist. Biológ.
A B
Reagente Produto
- Constante de Equilíbrio: K’eq = [Produto(s)]
[Reagente(s)]
- Variação de Energia livre de Gibbs
∆G0’ = - R T ln K’eq
∆G0’ = - 2,3 R T log [ B ]
[ A ]
Onde: R = Constante dos Gases (8,315x mol x K -1 ou 1,98 cal 
x mol x K -1)
T = 298 K
- Variação de energia livre (∆∆∆∆G):
É a força que dirige o sistema em direção ao 
equilíbrio
Quando K’eq é ∆∆∆∆G’°°°° Direção com 1M de
reagentes e produtos 
>>>> 1.0 Negativo Procede adiante
= 1.0 Zero Em equilíbrio =
< 1.0 Positivo Procede no reverso
Relação entre ∆∆∆∆G’°°°° e K’eq e direção da reação
química em condições padrões
aA + bB cC + dD
ba
dc
K
]B[[A]
]D[]C[
eq
Relação entre ∆∆∆∆G’°°°° e K’eq:
∆∆∆∆G’°°°° = -RTln K’eq
Condições celulares
• Nas condições celulares a variação de 
energia livre depende das concentra-
ções dos reagentes e produtos (as 
quais nunca são 1M de cada um) e da 
temperatura (37°°°°C)
• A variação de energia livre nas con-
dições celulares = ∆∆∆∆G
Condições das Reações Químicas
Qualquer reação química depende da Temperatura, 
Pressão, pH e Concentrações de reagentes e de 
produtos.
As condições fisiológicas são variáveis, 
principalmente, no que diz respeito às oscilações 
das concentrações dos reagentes e produtos ( são
consumidos e/ou formados). 
- Como calcular o ∆G?
Cálculo de ∆G em Condições Fisiológicas
∆G = ∆G0’ + 2,3 R T log [ B ]
[ A ]
∆G = ∆G0’ → se as concentrações 
fisiológicas de produto(s) e reagente(s) 
forem iguais.
Condições fisiológicasCondições Padrões
Os ∆∆∆∆G’°°°°de reações seqüenciais são aditivos
K’eq1 = [B]/[A]
K’eq2 = [C]/[B]
K’eq3 = [C]/[A]
K’eq3 = K’eq1 x K’eq2
Reação K´eq ∆∆∆∆G (kJ mol-1)
1) Glicose 1-P →→→→ Glicose 6-P 19 -7,29
2) Glicose 6-P →→→→ Frutose 6-P 0,52 +1,62
3) Glicose 1-P →→→→ Frutose 6-P 9,9 -5,67
Acoplamento energético em um processo químico
Nos organismos vivos uma reação exergônica pode ser acoplada a uma 
reação endergônica para conduzir reações diferentesdesfavoráveis
Glicose + fosfato →→→→ Glicose 6-P + H2O ∆∆∆∆G°′°′°′°′ = +13,8 kJ mol-1
ATP + H2O →→→→ ADP + fosfato, ∆∆∆∆G°′°′°′°′ = -31 kJ mol-1
Glicose + ATP →→→→ Glicose 6-fosfato + ADP, ∆∆∆∆G°′°′°′°′ = -17,2 kJ mol-1
Acoplamento de reações
Na célula, essa reação ocorre acoplada à hidrólise do ATP 
A reação global será:
Reações biológicas de óxido-redução
• A transferência de grupos fosforil é um
evento central no metabolismo. Igualmente
importante é a transferência de elétrons em
reações de óxido-redução.
• O fluxo de elétrons em reações de
oxidação-redução é responsável, direta ou
indiretamente, por todos os trabalhos
realizados pelos organismos vivos
Reações de óxido-redução 
(Redox)
• Envolvem a perda de elétrons por uma espécie química que 
é oxidada (agente redutor), e o ganho por outra que é 
reduzida (agente oxidante)
• O caminho seguido pelo fluxo de elétrons no metabolismo é 
complexo. Inicialmente, através de reações catalisadas 
enzimaticamente, os elétrons abandonam vários 
intermediários metabólicos e dirigem-se para 
transportadores especializados de elétrons.
Esses transportadores, doam esses elétrons para receptores 
com maior afinidade por eles.
Essas trocas de elétrons são acompanhadas por liberação de 
energia
Os elétrons são transferidos de uma molécula 
para outra por quatro formas diferentes
• 1- Eles podem ser transferidos como elétrons
Ex: Fe +2 + Cu +2 Fe +3 + Cu +
• 2- Eles podem ser transferidos na forma de átomos de hidrogênio
Ex: AH2 A + 2e- + 2H+ 
• 3- Eles podem ser transferidos como íon hidreto (possui dois 
elétrons) (:H-) Isso ocorre no caso das desidrogenases que utilizam o NAD 
como coenzima
• 4- Por combinação direta com o oxigênio
Ex: R-CH3 + ½ O2 R-CH2-OH
Ciclo de energia nas células 
• A função do ATP
CICLO ATP – ADP
Este ciclo é o modo fundamental de troca de energia nos sistemas biológicos. ATP 
atua como o principal doador de energia livre nos sistemas biológicos.
Estrutura do ATP 
O ATP fornece energia por transferência 
de grupos, e não por simples hidrólise
• A transferência de um grupo fosforil da 
molécula do ATP para um composto, 
efetivamente injeta energia livre nele, de 
tal forma que ele passa a apresentar 
maior quantidade de energia livre para 
liberar em transformações subsequentes
O ATP FORNECE ENERGIA POR TRANSFERÊNCIA DE GRUPOS, E NÃO POR 
SIMPLES HIDRÓLISE.
A contribuição do ATP para uma 
reação é geralmente mostrada 
como apresentando uma única 
etapa (a); entretanto é quase 
sempre um processo de duas 
etapas (b), como apresentado para 
a reação catalisada pela enzima 
glutamina sintetase dependente de 
ATP.
1) Um grupo fosforil é primeiramente 
transferido do ATP para o 
glutamato,
2) Sofrendo deslocamento por NH3 e 
sendo liberado na forma de Pi.
O ATP pode doar grupos fosforil, 
pirofosforil e adenilil 
Transferência de energia e o papel de carreadores ativados 
no metabolismo
Estrutura do NAD+ e NADH
Exemplo de uma reação de oxidação na qual o 
NAD+ é o aceptor de elétrons
A estrutura das formas oxidada e 
reduzida do 
FAD
Exemplo de uma reação de oxidação na qual o 
FAD é o aceptor de elétrons
Uma visão geral do fluxo de energia
nos organismos vivos
Os animais são capazes de usar uma entrada 
variável de combustíveis para satisfazer uma 
demanda metabólica variável.
Os três estágios
Do fluxo de energia
Estágio 1: A oxidação dos ácidos graxos
glicose e alguns aminoácidos
Estágio 2: A oxidação dos grupos acetil por 
meio do ciclo do ácido cítrico inclui quatro 
passos que retiram elétrons
Estágio 3: Os elétrons transportados por 
NADH e FADH2 são introduzidos na cadeia 
de transportadores de elétrons no interior 
das mitocôndrias
Na cadeia respiratória, o O2 é reduzido a 
H2O.Esse fluxo de elétrons fornece 
energia para a síntese de ATP