Bioquímica de Biomoléculas e Bioenergética

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BIOQUÍMICA DE 
BIOMOLÉCULAS
É explicar a forma e a função biológica em termos químicos.
Quais são as estruturas químicas das moléculas biológicas?
De que maneira a energia é conservada e usada pela célula?
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PRINCÍPIOS DE BIOENERGÉTICA
Células e organismos necessitam realizar trabalho para: a manutenção da vida, crescimento e para sua reprodução
Trabalho químico: síntese dos componente celulares
Trabalho osmótico: acúmulo e retenção de sais e outros compostos contra gradiente de concentração
Trabalho mecânico: contração muscular e movimentação de flagelos
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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
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CONVERSÕES DE ENERGIA 
NA CÉLULA
Fotossíntese 
6 CO2 + 6 H2O  C6 H12 O6 + 6 O2 
G’ = + 686 Kcal
Respiração
C6H12O6 + 6 O2  6 CO2 + 6 H2O
 G’ = - 686 Kcal 
ΔG = Variação de energia livre
ΔGº = Variação de energia livre padrão (25ºC, [R e P]=1M 1 atm...)
ΔGº’ = Variação de energia livre padrão (pH 7, [H2O] = 55,5M.
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mecânico
químico
transporte
Trabalho Biológico
ENERGIA QUÍMICA
Capacidade de realizar trabalho
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Processos de Liberação e Conservação de Energia
 EXERGÔNICO ENDERGÔNICO
Tendência da energia potencial em degradar-se para energia cinética com uma menor capacidade de trabalho ou maximização da ENTROPIA do universo
Energia não é criada nem destruída, mas sim transformada de uma forma em outra.
Lei da Conservação da Energia
G'= negativo
G'= positivo 
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FATORES QUE AFETAM O RITMO DA BIOENERGÉTICA
Energia química  trabalho mecânico
 efeito da ação das massas
  concentração das substâncias
 enzimas
  catalizadores biológicos específicos
  temperatura e PH
 co-enzimas
  transporte e facilitam a ação enzimática
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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 (funcionam a temperatura constante) 
Segunda lei: Em todos os processos naturais a entropia do universo aumenta
Definição rigorosa de entropia: considerações estatísticas e de probabilidade
Qualitativamente pode ser descrita como “desordem” ou “caos”manifestada de várias maneiras 
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Exemplo 1: OXIDAÇÃO DA GLICOSE
Sempre que uma reação química ocorre de forma a haver um aumento no número de moléculas, ou quando uma substância sólida, como a glicose, é convertida em produtos líquidos ou gasosos, os quais tem maior liberdade para se movimentar ou preencher espaços do que o sólido, ocorre um aumento na desordem molecular e, desta forma, um aumento da entropia.
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Exemplo 2: INFORMAÇÃO E ENTROPIA:
Palavras=Informação=entropia negativa
Considerações deste tipo levaram à conclusão de que 
informação é uma forma de energia e tem sido chamada de “entropia negativa”.
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ORGANISMOS VIVOS SÃO
ALTAMENTE ORDENADOS,
ESTRUTURAS NÃO CASUAIS, IMENSAMENTE RICOS EM INFORMAÇÃO E, ENTÃO
POBRES EM ENTROPIA 
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
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QUESTÃO CENTRAL DA BIOENERGÉTICA
Mecanismos pelos quais a energia dos alimentos ou da captura da energia solar é acoplada às reações que requerem energia 
A fração de energia disponível para realizar trabalho = energia livre de Gibbs (G)
Ela é sempre menor do que a energia teoricamente
liberada. Uma parte é dissipada como calor de friccão.
A energia que a célula pode e deve usar é a 
energia livre de Gibbs: prediz a direção da reação e a quantidade de trabalho 
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Acoplamento energético em um processo químico
Se o produto tem menor G do que o reagente: a reação libera energia, disponível para realizar trabalho: G = (-) Reação exergônica
Ao contrário: G = (+) Reação endergônica
Cada composto tem um certo potencial energético 
(G: energia livre) que depende do tipo e do número de ligações em sua molécula
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Figure 1-9b
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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; reflete o número e o tipo de ligações nos 
reagentes e produtos
H reg  H prod:
H = (-) exotérmico
H reg  H prod:
H = (+)
endotérmico
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Dois processos espontâneos: um exotérmico e outro endotérmico!
Dissolução do
 NaCl
NaCl(s) Na+(d) + Cl(d)
Oxidação do
 hidrogênio
H2(g) +½O2(g)  H2O()
-238 = - 287 – T.ΔS
-238 + 287 = – T.ΔS
+ 49 = – T.ΔS ou - 49 = T.ΔS
-9 = ΔH – (+12.8)
-9 = ΔH - 12.8
ΔH = -9 + 12.8 = +3.8
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RELAÇÃO ENTRE A ENERGIA LIVRE PADRÃO DE UMA REAÇÃO QUÍMICA E A CONSTANTE DE EQUILÍBRIO
aA + bB
cC + dD 
a, b, c e d = número de moléculas
[A], [B], [C] e [D] = concentração molar dos
Componentes da reação no ponto de equilíbrio
Quando o sistema de reação não está em equilíbrio
a tendência de se mover em direção ao equilíbrio
representa uma força, cuja magnitude pode ser
 expressa como a variação de energia livre para a 
reação = G
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Nas condições celulares a variação de energia livre depende das concentrações dos reagentes e produtos (os quais nunca são 1M de cada um) e da temperatura (37C)
A variação de energia livre nas condições 
celulares = G
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Exemplo: Cálculo de G para a reação:
Frutose 6-fosfato glicose 6-fosfato se 
[Frutose 6-P]=1.5M; [glicose-6-P]=0.5M G’=-1.700 J/mol
...
R = Constante de gases = 8,315 J/mol.K
T = 25ºC = 298K (grau Kelvin)
Basta substituir na fórmula as concentrações reais de
A, B, C e D; os valores empregados de R, T e ΔGº’ são
os valores padrão.
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Glicose + fosfato  Glicose 6-P + H2O G = +13,8 kJ mol-1 
ATP + H2O  ADP + fosfato, G = -30,5 kJ mol-1
Glicose + ATP  Glicose 6-fosfato + ADP, G = -16,7 kJ mol-1
Acoplamento de reações
Para a reação ocorrer no sentido da formação de glicose 6-P, a [glicose] deve ser superior a 100mM e a da [glicose 6-P] menor do que 1 mM 
Na célula, essa reação ocorre acoplada à hidrólise do ATP 
A reação global será:
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Mecanismo de acoplamento: enzimas 
exemplo hexoquinase
Glicose + ATP  
Glicose 6-fosfato + ADP
Glicose + ATP + H2O 
Glicose + HPO4-(Pi) + ADP
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Energia livre padrão de hidrólise de outros
compostos fosforilados e tioésteres 
São isômeros estruturais dos compostos carbonílicos e são denominados tautômeros.
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Energia livre padrão de hidrólise de outros
compostos fosforilados e tioésteres 
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Compostos biológicos fosforilados de alta energia
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Exemplo: transporte de Na+ e K+
pela Na+K+ATPase
O ATP supre a energia para o transporte de íons
ou moléculas através da membrana
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F =Constante de Faraday=
 (96.480 J/V. mol) 
=Potencial elétrico
transmembrana =
(0,05 a 0,2 V)
O ATP supre a energia para o transporte de íons
ou moléculas através da membrana
A variação de energia livre (ΔGt) para o transporte de um compartimento para outro de solutos não iônicos é dado por:
Z =e a carga elétrica da partícula transportada (sem unidade).
O custo energético total de mover uma partícula carregada contra um gradiente eletroquímico é dado por:
[K local sai]
[K local vai]
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O ATP pode doar grupos fosforil, 
pirofosforil e adenilil 
G’=-30,5 kJ/mol
G’=-45,6 kJ/mol
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kJ equivale
a 0,239 kcal
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METABOLISMO
 Soma de todas as reações enzimáticas que ocorrem na célula com integração altamente coordenada
REGULAÇÃO CELULAR DAS VIAS METABÓLICAS
 Velocidade de catabolismo e anabolismo
  necessidade celular de energia imediata
 Ação das enzimas
  inibidas pelos produtos finais
 Controle genético da velocidade de síntese enzimática
 Controle hormonal
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Muito obrigada pela atenção!!!!