Bioenergética: Leis da Termodinâmica e Metabolismo

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BIOENERGÉTICA
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1-A vida demanda energia
-As células e organismos necessitam realizar trabalho para a manutenção da vida, crescimento e reprodução
Mesmo em repouso, a maquinaria bioquímica está permanentemente utilizando e liberando energia.
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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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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-Organismos fotossintetizantes obtém energia da luz solar e a usam para transferir elétrons da H2O para o CO2 formando produtos ricos em energia como a glicose, sacarose , amido liberando O2 para a atmosfera
6H2O + 6CO2 C6H12O6 + 6O2
-organismos não fotossintetizantes obtém energia a partir da oxidação dos compostos ricos em energia produzidos pelos fotossintetizantes passando os elétrons para o O2 formando H2O , CO2, e outros produtos finais que são reciclados no ambiente.
C6H12O6 + O2 6CO2 + 6H2O
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2- Termodinâmica 
Área da ciência que se dedica ao estudo da ENERGIA e seus efeitos.
A vida traz desafios, mas obedece às 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. “Energia é conservada”, não pode ser criada ou destruída, ‘apenas transformada’.
As células são transdutoras de energia: capazes de converter energia química, eletromagnética, mecânica e osmótica com muita eficiência (funcionam a temperatura constante) 
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Segunda lei da termodinâmica
-a tendência na natureza é para maior desordem (aumento de entropia)
-os seres vivos liberam moléculas de produtos finais menos organizadas que os nutrientes iniciais aumentando a entropia do sistema (catabolismo) por isso é um processo termodinamicamente favorável
-e o anabolismo diminui a entropia sendo termodinamicamente desfavorável (consome energia)
-O metabolismo celular faz o acoplamento entre o processo espontâneo de catabolismo e o processo não espontâneo de anabolismo para obter este efeito. Em termos termodinâmicos, o metabolismo mantém a ordem ao criar desordem
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A medida da espontaneidade de um processo é feita pela variação da energia livre de Gibbs ΔG 
ΔG = ΔH - TΔS
ΔG negativo o processo é espontâneo libera energia
ΔG positivo o processo não é espontâneo havendo necessidade de fornecimento de energia
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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= Hpro- H reag
H reag > H prod:
H = (-) exotémico
H reag H prod 
H = (+)
endotérmico
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Metabolismo
Conjunto de todas as reações químicas que ocorrem nos organismos vivos
-metabolismo energético (catabolismo): oxida biomoléculas gerando precursores biossintéticos e elétrons (H-) (ATP só a via glicolítica) que são carregados por substâncias especiais até a cadeia respiratória gerando energia par a síntese de ATP
A partir de molécula organizadas fornece moléculas menos organizadas (aumento da entropia): libera energia ΔG negativo processo espontâneo naquele sentido
-metabolismo biossintético (anabolismo): sintetiza biomoléculas mais complexas a partir de moléculas menores por reações enzimáticas de redução (introdução de H-), consome energia
A partir de biomoléculas mais simples se obtém macromoléculas mais complexas e organizadas (diminui a entropia): consome energia ΔG positivo, processo não espontâneo naquele sentido
 
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Glicose + fosfato  Glicose 6-P + H2O G = +13,8 kJ mol-1
É uma reação com G positivo portanto não ocorre espontaneamente no sentido da formação da Glicose 6P é necessário o acoplamento dessa reação com outra que possua intermediários em comum
ATP + H2O  ADP + fosfato, G = -31 kJ mol-1
Glicose + ATP  Glicose 6-fosfato + ADP, G = -17,2 kJ mol-1 o processo global ainda gera energia para a célula.
Processos não espontâneos
Apesar de não serem espontâneos eles ocorrem, as custas da energia de reações acopladas
Na célula, essa reação ocorre acoplada à hidrólise do ATP 
A reação global será:
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A hidrólise do ATP 
-gera energia
-libera produtos que são mais estabilizados
-diminui a repulsão entre as cargas negativas dos grupos fosforila
-gera H+ no meio celular
Mas a hidrólise do ATP é a uma reação com alta energia de ativação, logo não é uma reação que ocorre somente devido ao contato entre ATP e água (se assim fosse não haveria ATP, pois o meio celular é aquoso) mas sim pela atuação enzimática, havendo a necessidade de se utilizar a energia que vem da hidrolise do ATP uma enzima catalisa o processo 
Ou seja a hidrólise enzimática do ATP só ocorre pela necessidade momentânea da célula.
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Base química para a grande variação de energia livre 
associada à hidrólise do ATP
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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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Metabolismo
-população de moléculas dentro de um organismo não é estática
-síntese contínua de moléculas, macromoléculas e complexos supramoléculares 
-degradação dessas por reações químicas envolvem um fluxo constante de massa e energia
-reações envolvendo o fluxo de elétrons são reações de oxidação-redução
 -fluxo de elétrons fornece energia para os organismos
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Exemplos:
-A hemoglobina- vida útil aproximadamente 1 mês- logo a síntese não pára.
-a glicose da última alimentação- circula no sangue e após algumas horas fornece ATP, pode ser convertida em CO2 (cadeia respiratória ) ou pode virar gordura (se em excesso), uma outra fração fornece suprimento para manter os níveis de glicose sanguínea mais ou menos constantes
- As quantidades de hemoglobina e glicose no sangue permanecem aproximadamente constantes porque a velocidade de síntese e degradação são balanceadas
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-a constância da concentração é o resultado de um estado de equilíbrio dinâmico (não equilíbrio estático) entre a célula e seu meio ambiente
-manter esses estado de equilíbrio requer o investimento constante de energia
-se a célula não consegue mais gerar energia ela morre e começa a entrar em equilíbrio com o meio ambiente
Catabolimo: metabolismo de degradação (oxidação)
Anabolismo: metabolismo de síntese (redução)
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Relação entre catabolismo e anabolismo
Catabolismo transforma nutrientes em energia química e intermediários (aa, açúcares, ac graxos, bases nitrogenadas) para serem usados no anabolismo
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ATP: moeda biológica
-moléculas são oxidadas (carboidratos, ácidos graxos, proteínas) para gerar elétrons que ao serem transferidos na cadeia respiratória até o O2 geram energia que será usadas para a síntese de ATP que é a fonte de energia que o organismo utiliza para sua manutenção
Praticamente toda a energia que o organismo precisa para realizar suas funções vitais vem da hidrolise do ATP por isso ele é a fonte de energia celular
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-parte do ATP produzido nos vários passos dos processos catabólicos é utilizado pelo organismo nos seus processos de síntese de biomoléculas, o anabolismo.
As reações de oxidação-redução ocorrem da seguinte forma
Oxidação
Substrato
reduzido + NAD+ substrato oxidado + NADH + H+
Houve remoção de H2 ( 1 H-(elétron) e 1H+ (próton para o meio)
Substrato reduzido + NADP+ Substrato oxidado + NADPH + H+
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As desidrogenases (enzimas que atuam nas reações de oxidação) são geralmente ligadas ao NAD+ como receptor de elétrons
Essas enzimas removem dois átomos de hidrogênio dos substratos sendo que um deles é transferido para o NAD+ como um íon hidreto (H-) e o outro é liberado como H+ no meio celular
Esse NADH carrega o (H-) elétron até a cadeia respiratória onde passo a passo ele é transferido para o O2 e a energia gerada nesta transferência de elétrons é a necessária para transformar ADP em ATP num processo chamado de fosforilação oxidativa
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Formas oxidada e reduzida do NAD
2H + + 2e-
+ H+
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O ATP é o principal composto biológico doador de grupos fosforila
- a energia liberada nas transferências desse grupo fosforila é a principal fonte de energia necessária para vencer a barreira energética de reações endergônicas (consomem energia ΔG positivo) 
-é na forma de ATP que a energia biológica é armazenada
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