Introducao_metabolismo_bioenergetica_2012

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Visão Geral do 
Metabolismo
O que é metabolismo?
Metabolismo
Vias Metabólicas
Soma de todas as transformações químicas que 
ocorrem em uma célula ou organismo
Série de reações metabólicas catalisadas 
enzimaticamente
Conjunto de reações altamente coordenadas e catalisadas
por sistemas multi‐enzimáticos cooperam para:
• Obter energia química a partir da energia solar ou da
degradação de nutrientes ricos em energia.
• Converter moléculas de nutrientes em outras necessárias
para a célula, como precursores de macromoléculas.
• Polimerizar moléculas precursoras em macromoléculas:
proteínas, ácidos nucleicos, polissacarídeos.
• Sintetizar e degradar biomoléculas necessárias para
funções específicas na célula: lipídios de membrana,
moléculas sinalizadoras, pigmentos.
Como os seres
vivos obtêm E?
Ciclo do CO2 e do oxigênio 
• Utilizam CO2 para
construir biomoléculas
• Auto-suficientes
• Produzem O2 e H2O
no processo
• Utilizam nutrientes
dos autotróficos
• Dependentes
• Produzem CO2 e
H2O no processo
E solar: impulsiona
o processo global
Ciclo do Nitrogênio 
Cianobactérias
Bacs. do solo que 
vivem em simbiose nas 
raízes de plantas
Nitrobacter
Nitrosomonas
Lipídios
Proteínas 
Nutrientes:
Carboidratos 
Minerais 
Água Vitaminas 
Metabolismo 
Oxidativo
⇓
oxidação dos nutrientes 
para a produção de E
Metabolismo consiste de vias degradativas 
(catabolismo) e biossintéticas (anabolismo)
libera E: conservada no ATP e coenzimas reduzidas
requer E: ATP e poder redutor das coenzimas
As vias metabólicas são lineares ou ramificadas
catabolismo é convergente
anabolismo é divergente
cíclicas
intermediário
metabólico
consumido
precursor
O fluxo de substrato 
nas reações é 
controlado por
Enzimas Específicas
Regulação independente das reações
catabólicas e anabólicas
Característica Mecanismo de controle
Inibição e ativação 
independentes das vias
(não simultânea)
Pelo menos 1 reação da via deve 
ser catalisada por enzima 
específica
Irreversibilidade das vias Pelo menos 1 das reações únicas 
em cada direção deve ser 
termodinamicamente favorável
(reação reversa desfavorável)
Controle da velocidade das vias 
por diferentes [intermediários]
(regulação da cinética pela [S])
Compartimentalização
diferencial
Compartimentalização das vias metabólicas
Mecanismos intracelulares e extracelulares
de controle do metabolismo
¾ Intracelular:
9 Disponibilidade de substrato: velocidade da
reação é dependente da [S] quando < Km
9 Regulação alostérica: intermediário metabólico
ou coenzima (Ex: ATP)
¾ Extracelular: regulação hormonal
9 Rápida (seg): regulação alostérica ou por
modificação covalente (enzimas já existentes)
9 Lenta (min ou h): variações na [enzima] pela
regulação das velocidade de síntese e
degradação
™ Reações orgânicas: 
tipo depende da relevância para a via e da velocidade
™ Catalisadas enzimaticamente
™ Específicas
™ Devem ser termodinamicamente favoráveis
Características das reações
das vias metabólicas
Categorias das reações orgânicas
1. Clivagem ou formação de ligações C-C
• Clivagem heterolítica → formação de carbânion (nucleófilo) ou
carbocátion (eletrófilo)
• Combinação de um nucleófilo (carbânion) e um eletrófilo (carbocátion)
⇒ Favorecidas pela presença de grupos funcionais contendo átomos
eletronegativos (Ex: carbonila ou imina) → alteram estrutura
eletrônica do C adjacente, estabilizando carbânions e carbocátions.
e‐ atraente deslocalização da carga ‐
eletrofílico
Ex:
Ex:
síntese de citrato
síntese de corpos cetônicos
2. Rearranjos, isomerizações e eliminações
Ex:
eliminação de H2O de um álcool
isomerização envolvendo oxidação-redução de grupos da
molécula sem alteração do seu estado de oxidação final
3. Transferência de grupos
Ex: glicosil, fosforil e acil de um nucleófilo para outro.
Substituição nucleofílica é mais favorável pela ligação de 
um grupo fosforil (−PO32-) a um grupo de saída fraco (−OH)
eletrófilo
nucleófilo
SN2
4. Reações com participação de radicais livres
Ex: clivagem homolítica em isomerizações, descarboxilações
iniciadas por radicais livres (biossíntese do heme em bactérias)
e rearranjos (DNA fotoliase)
5. Reações de oxiredução
Ex: desidrogenases e oxidases
Estados de oxidação do C em biomoléculas:
cada composto é formado pela oxidação
do C vermelho da molécula precedente
Bioenergética
As células e a obtenção de
Energia a partir dos
Alimentos para realização de
Trabalho: o fluxo de Energia
™Primeira lei: Lei da conservação da energia: a
quantidade total de energia no Universo é constante.
A energia pode ser transformada ou transportada,
mas não pode ser criada ou destruída.
™Segunda lei: em qualquer processo natural, a
entropia (desordem) do Universo sempre aumenta.
Reações biológicas obedecem às
Leis da Termodinâmica
Energia Livre: um indicador de espontaneidade
Energia Livre de Gibbs
ΔG = ΔH – TΔS
G = Energia livre: quantidade de E capaz de realizar trabalho durante uma reação a
T e P constantes.
H = Entalpia: é o conteúdo de calor da reação. Reflete o número e tipos de reações
químicas nos reagentes e produtos.
S = Entropia: expressão quantitativa para a desordem de um sistema. Quando os
produtos de uma reação são menos complexos e mais desorganizados do que
os reagentes, a reação ocorre com ganho de entropia.
T = Temperatura
ΔG<0 (negativo): reações ocorrem com liberação de E livre = espontâneas
(reações exergônicas). Energia livre dos produtos menor que dos reagentes.
ΔG>0 (positivo): reações ocorrem com ganho de E livre, ou seja, por meio de
fornecimento de energia (reações endergônicas).
ΔG=0: processos em equilíbrio (aqueles nos quais as reações direta e reversa
estão em equilíbrio).
ΔG = ΔH – TΔS
ΔH<0 (negativo): quando reações químicas liberam calor, o conteúdo de calor
dos produtos é < que dos reagentes (reações exortérmicas).
ΔH>0 (positivo): quando as reações retiram calor do ambiente (reações
endotérmicas).
ΔH=0: substância simples no estado padrão (ou seja, no estado físico e
alotrópico mais estável a 25°C e 1 atm).
ΔG0: variação de energia livre padrão (298 K, concentrações = 1 M)
Para reações que envolvem prótons: [H+] = 1 M ou pH = 0
Reações biológicas: pH ≈ 7,0→ novo estado padrão
[H+] = 10‐7 M ou pH = 7,0; [H2O] = 55,5 M e [Mg2+] = 1 mM
ΔG0→ΔG’0: constante para uma determinada reação
Keq→ K’eq: constante para uma determinada reação
ΔG = ΔH – TΔS
ΔG = -RT ln Keq
Um sistema químico (mistura de reagentes e produtos) se modifica
até atingir o equilíbrio. No equilíbrio: [R] = [P] e vdireta = vreversa. As
[R] e [P] definem Keq.
R = constante dos gases (8.315 J/mol.K) e RT = 2.478 kJ/mol a 25oC 
Relações entre K’eq e ΔG’0
ΔG’0 = -RT ln K’eq
ΔG’0 = ΔGprod’0 - ΔGreag’0
Reação espontânea
Reação não espontânea
Variações de energia livre reais
ΔG’0 é constante, mas ΔG depende da concentração
de reagentes e produtos. Como estas duas grandezas
estão relacionadas?
[C] [D]
[A] [B]
=ΔG ΔG’0 + RT ln
A + B ' C + D
Quando a reação entra em equilíbrio: ΔG = 0
ΔG’0 = -RT ln K’eq
Variações de energia livre são aditivas
Se uma reação não é espontânea (ΔG>0), ela pode ser
acoplada a uma reação espontânea com intermediário
comum e grande variação de energia livre, para tornar a
reação global espontânea.
Reações acopladas
Ao contrário da reação direta de fosforilação
de glicose, esta reação acoplada é espontânea!
Reações de Transferência
de Grupos Fosforil
O ATP como moeda energética celular
A degradação de nutrientes é acoplada à formaçãode ATP, que
doa parte da E obtida dos nutrientes para processos
endergônicos tais como:
9 Síntese de biomoléculas
9 Transporte de moléculas contra gradientes de concentração
9 Trabalho mecânico (contração muscular).
A doação de E ocorre pela
participação covalente do
ATP na reação.
Quando aceptor de e‐ = água
→ hidrólise
Adulto em repouso: consome 40 kg de ATP/24 h
Durante exercício intenso: 0,5 kg de ATP/min
A hidrólise de ATP envolve uma grande 
variação de energia livre
↑ ΔG para a hidrólise de ATP: 
1) Separação de um dos grupos fosfato do
restante da molécula e consequente
redução da repulsão eletrostática.
2) O HPO42‐ (Pi) é estabilizado pela formação
de várias formas de ressonância que não
são possíveis no ATP.
3) O outro produto de hidrólise ioniza‐se
prontamente liberando H+ num meio com
[H+] muito baixa.
4) A concentração dos produtos de hidrólise
do ATP é muito inferior aos valores em
equilíbrio e a lei da ação das massas
favorece a reação de hidrólise.
Outros compostos fosforilados e tioésteres 
também apresentam valores bastante 
negativos de ΔG’0 de hidrólise
Fosfoenolpiruvato
1,3-bifosfoglicerato
Fosfocreatina
Acetil-CoA
ΔG’0 para compostos 
fosforilados e para 
o acetil-CoA
Fluxo de grupos fosforil de 
doadores de alta energia 
livre de hidrólise para 
aceptores de baixa energia, 
por meio de ATP/ADP 
Assim, o ATP pode ser sintetizado pelo 
acoplamento à degradação de um composto 
de mais alta energia 
A hidrólise de ATP é, na verdade, acompanhada pela 
transferência do grupo fosforil (Pi), ou PPi ou AMP
(modificação covalente transiente) 
Esta transferência tem o
papel de ativar o composto
aceptor para as próximas
transformações metabólicas
O ATP pode doar fosforil (Pi), pirofosforil 
(PPi) ou adenilil (AMP) 
™ Contração muscular
™ Síntese de DNA e RNA
™ Ativação de proteína G
Em alguns casos, o ATP cumpre 
seu papel apenas pela hidrólise 
Reações de Oxiredução
e
Transportadores de 
Elétrons 
• O fluxo de elétrons em reações de oxiredução é responsável,
direta ou indiretamente por todo trabalho feito em
organismos vivos.
• Elétrons se movem de vários intermediários metabólicos para
alguns carreadores especializados, em reações catalisadas por
enzimas.
• Estes carreadores transferem elétrons para aceptores com
maior afinidade por elétrons, ocorrendo liberação de energia
que é captada por transdutores (ex., ATP). Esta E pode, então,
ser utilizada para execução de trabalho.
• Na oxidação da glicose os elétrons fluem espontaneamente
através de uma série de carreadores de elétrons que atuam
como intermediários, resultando na transferência desses
elétrons para o O2.
Importância das reações de transferência de elétrons
Oxidação Biológica Representativa
2 elétrons (e-) e 2 prótons (H+) (juntos equivalem a 2 átomos de hidrogênio: H) são
transferidos de 1 molécula de substrato orgânico para uma coenzima (por ex., NAD+).
A coenzima (NAD+), na realidade, recebe 1 átomo de hidrogênio e 1 e-, sendo que 1
próton é liberado no meio. Assim, NAD+ é reduzido a NADH, que é uma molécula mais
rica em energia. A “E” liberada durante as reações de oxidação-redução é
armazenada para a formação de ATP
+ +
e-
H+H
H+
molécula orgânica
(que inclui 2
átomos de H)
coenzima NAD+
(transportador
de e- oxidado)
molécula orgânica
oxidada
NADH + H+
(transportador
de e- reduzido)
OXIDAÇÃO
REDUÇÃO
Importância: permite prever a direção do fluxo dos
elétrons nesta situação.
Elétrons migram em direção ao potencial mais positivo e a força
desta tendência = ΔE. A energia disponibilizada neste processo
(ΔG’0) ∝ ΔE’0.
Potencial Padrão de Redução
A transferência de elétrons de um doador de um par
redox para um aceptor do outro par pode ocorrer
espontaneamente. A tendência para que essa reação
ocorra depende da afinidade relativa do aceptor de
cada par.
E’0 (potencial padrão de redução em pH=7,0 e
concentrações de 1 M) = uma medida (em V) desta
afinidade.
Fluxo de 
elétrons
Fluxo de 
elétrons
Carboidratos
Lipídios
Proteínas
CO2 (H+ + e-)
Coenzimas
(oxidadas)
Coenzimas (H+ + e-)
(reduzidas)
ATP + H2O
O2 + ADP + Pi
Processo de obtenção de energia nos organismos:
a oxidação de nutrientes leva à redução de coenzimas
que são oxidadas por oxigênio, produzindo ATP
Carreadores de elétrons 
em sistemas biológicos
(coenzimas)
9 NADH/NAD+
9 NADPH/NADP+
9 FAD/FADH•/FADH2
9 FMN/FMNH•/FMNH2
NADH e NADPH 
¾ Nicotinamida adenina dinucleotídeo e nicotinamida
adenina dinucleotídeo fosfato são carreadores
hidrossolúveis. Ligam-se fracamente às
desidrogenases, permitindo atuar numa reação de
oxidação e, logo em seguida, em uma reação de
redução, catalisada por outra enzima.
¾ São derivados da vitamina niacina.
¾ Essenciais à ação das desidrogenases (oxigenases). A
maioria é específica para NADH ou NADPH.
¾ Semi-reações de redução:
NAD+ + 2e- + 2H+ � NADH + H+
NADP+ + 2e- + 2H+ � NADPH + H+
¾ Concentrações celulares:
NADH + NAD+, aprox 10–5 M e razão NAD+/NADH alta
(favorece oxidações, ou seja, atua no catabolismo)
NADPH + NADP+, aprox 10–6 M e razão NADPH/NADP+ alta
(favorece reduções, ou seja, atua no anabolismo)
Devido à compartimentalização diferencial destas vias, a célula
pode manter dois “pools” diferentes de carreadores de elétrons
com funções diferentes.
¾ Reações globais:
AH2 + NAD+ � A + NADH + H+
A + NADPH + H+ � AH2 + NADP+
NADH e NADPH 
substrato
reduzido NAD
+ NADH + H++produtooxidado
+
FAD e FMN 
¾ Flavina adenina dinucleotídeo e flavina
mononucleotídeo ligam-se fortemente às
flavoproteínas atuando como grupos prostéticos. Em
alguns casos, esta interação forte é covalente
(succinato desidrogenase).
¾ São derivados da vitamina riboflavina.
¾ E’0 varia de acordo com a enzima à qual se encontram
ligados.
E’0 para FAD livre: -0,219 V
E’0 para FAD ligado à succinato desidrogenase: 0,0 V
Flavoproteínas podem participar
de reações de transferência de 1
ou 2 elétrons e, por isso, são
mais versáteis que as
desidrogenases que utilizam
NAD(P).
+FAD FADH2
substrato
reduzido
produto
oxidado
+
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