Bioenergetica

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15/04/2016
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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
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
Glicose →→→→ 2lactato + H+ ∆∆∆∆G°°°°’= -196 kJ mol-1 de glicose
Via glicolítica ∆∆∆∆G’°°°°
-20,9
+2,2
-17,2
-22,8
+7,9
-16,7
+4,7
-3,2
-23,0
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Citosol
Potencial de 
membrana
50 a 70 mV
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 
Exemplo 1: OXIDAÇÃO DA GLICOSE
Exemplo 2: 
INFORMAÇÃO E 
ENTROPIA:
Palavras=Informação=e
ntropia negativa
Alfabeto
Rico em entropia 
e sem informação
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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 
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 
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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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 = (-) 
exotémico
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)
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Substância Energia produzida
kJ mol-1 kJ g-1 kcal g-1 kcal g-1 peso 
fresco
Glicose 2.817 15,6 3,7 -
Lactato 1.364 14,2 3,6 -
Ácido palmítico 10.040 39,2 9,4 -
Glicina 979 13,1 3,1 -
Carboidratos - 16 3,8 1,5
Gorduras - 37 8,8 8,8
Proteínas - 17 4,1 1,5
Energia produzida a partir da 
oxidação completa de vários
compostos orgânicos a dióxido
de carbono e água
Variação de entalpia ∆∆∆∆H
medida em um calorímetro
(calor liberado)
Definição de caloria: energia necessária para aquecer 1 
grama de água de 14,5 para 15,5°°°°C 
Considerando que a força gravitacional da terra é igual a 
9,81 N, levantar uma massa de 1 kg por um metro a 
partir da superfície irá despender um trabalho de 9,18 
J. 
Definição de joule (J)
Quantidade de trabalho para deslocar um ponto, 
sob o qual está aplicado uma força de 1 newton,
por um metro na direção da força aplicada
100 g maçã
Levantar 
1 metro
dispenderá 
1 J
Glicose →→→→ 2lactato + H+ ∆∆∆∆G°°°°’= -196 kJ mol-1 de glicose
∆∆∆∆G’°°°°
-20,9
+2,2
-17,2
-22,8
+7,9
-16,7
+4,7
-3,2
-23,0
Como medir o ∆∆∆∆G das reações que ocorrem nas células?
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RELAÇÃO ENTRE A ENERGIA LIVRE PADRÃO DE 
UMA REAÇÃO QUÍMICA E A CONSTANTE DE 
EQUILÍBRIO
aA + bB cC + dD
ba
dc
K
]B[[A]
]D[]C[
eq
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
Quando [A], [B], [C] e [D] = 1M; 
T=298K (25°°°°C); P=1 atm
A força que dirige o 
sistema
em direção ao equilíbrio é
definido como: 
Variação de energia livre 
padrão (∆∆∆∆G°°°°)
Na célula [H+]=10-7 e 
[H2O]=55.5M
Nestas condições: 
constantes padrões 
transformadas
∆∆∆∆G’°°°° e K’eq
Relação entre ∆∆∆∆G’°°°° e K’eq:
∆∆∆∆G’°°°° = -RTln K’eq
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
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Glicose 1-fosfato glicose 6-fosfato
Início: 20 mM glicose 1-fosfato e 0mM glicose 6-fosfato 
Final: 1 mM glicose 1-fosfato e 19 mM glicose 6-fosfato 
19
mM1
mM19
P]-1 [Glicose
]P-6 Glicose[
eq' ===K
∆∆∆∆G’°°°° = -RTln K’eq
∆∆∆∆G’°°°° = -(8,315 J/mol.K)(298K)(ln19)
∆∆∆∆G’°°°° = -7.296 J/mol = -7,3 kJ/mol
EXEMPLO DE CÁLCULO DE K’eq e ∆∆∆∆G’°°°°
Significado:
Se a reação ocorrer com 1.0M de glicose 1-P e 
1.0M de glicose 6-P, a reação no sentido 
Glicose 1-P →→→→Glicose 6-P será capaz de realizar trabalho nas 
condições padrões. 
EXERCÍCIOS
Calcule o ∆∆∆∆G’°°°° das seguintes reações catalizadas por
enzimas a 25°°°°C e a pH 7,0 a partir de suas constantes
de equilíbrio
1.Glutamato + oxaloacetato 
aspartato + αααα-cetoglutarato 
K’eq = 6,8 ; 
Aspartato aminotransferase
2.Dihidroxiacetona-fosfato 
gliceraldeído 3-fosfato 
K’eq = 0.0475; 
Triose fosfato isomerase
3.Frutose 6-fosfato + ATP 
frutose 1,6-bisfofato K’eq = 254; 
Fosfofrutoquinase
EXERCÍCIOS
Calcule o ∆∆∆∆G’°°°° das seguintes reações catalizadas por
enzimas a 25°°°°C e a pH 7,0 a partir de suas constantes
de equilíbrio
1.Glutamato + oxaloacetato 
aspartato + αααα-cetoglutaratoK’eq = 6,8 ; ∆∆∆∆G’°°°° =-4,75 kJ/mol
Aspartato aminotransferase
2.Dihidroxiacetona-fosfato 
gliceraldeído 3-fosfato 
K’eq = 0.0475; ∆∆∆∆G’°°°° =+7,6 kJ/mol
Triose fosfato isomerase
3.Frutose 6-fosfato + ATP 
frutose 1,6-bisfofato K’eq = 254; ∆∆∆∆G’°°°° =-13,7 kJ/mol
Fosfofrutoquinase
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EXERCÍCIOS: CÁLCULO DE ∆∆∆∆G
2. Um total de 30,5 kJ/mol é necessário para sintetizar 
ATP a partir de ADP e Pi nas condições padrões. Entretanto,a 
concentração fisiológica de ATP, ADP e Pi nos neurônios é 
diferente das condições padrões. Calcule a variação de energia 
livre de hidrólise do ATP a 25°em neurônios cujas 
concentrações de ATP, ADP e Pi são 2,59, 0,73 e 2,72 mM, 
respectivamente.
∆∆∆∆G = -30,5 kJ/mol + (0.008315 kJ/mol.K)(298K) x
ln (0.72 x 10-3)
∆∆∆∆G = -48,43 kJ/mol
+∆=∆
0'
GG
[A][B]
]D][C[
lnRT’
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’
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
A + B C + D
+∆=∆ 0'GG
[A][B]
]D][C[
lnRT
Ação
de
massas
,
+−=∆ 700.1G
[1,5]
]5,0[
ln98K)J/mol.K)(2 (8,315 = -4.400 J/mol
,
Glicose →→→→ 2lactato + H+ ∆∆∆∆G°°°°’= -196 kJ mol-1 de glicose
Via glicolítica ∆∆∆∆G’°°°°
-20,9
+2,2
-17,2
-22,8
+7,9
-16,7
+4,7
-3,2
-23,0
kJ mol-1
∆∆∆∆G
-27,2
-1,4
-25,9
-5,9
-4,4
-1,1
-0,6
-2,4
-13,9
’
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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 ∆∆∆∆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
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
+∆=∆
0'
GG
[A][B]
]D][C[
lnRT
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:
Mecanismo de acoplamento: enzimas 
exemplo hexoquinase
Glicose + ATP →→→→
Glicose 6-fosfato + ADP
Glicose + ATP + H2O→→→→
Glicose + HPO4-(Pi) + ADP
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Glicose →→→→ 2lactato + H+ ∆∆∆∆G°°°°’= -196 kJ mol-1 de glicose
O ATP supre a energia para o transporte de íons
ou moléculas através da membrana
][
][
ln
1
2
t
S
S
RTG =∆
ψ∆Ζ+=∆ F
S
S
RTG
][
][
ln
1
2
t
Exemplo: transporte de 
Na+ e K+
pela Na+ K+ATPase
F =Constante de Faraday =
(96.480 J/V. mol) 
∆Ψ∆Ψ∆Ψ∆Ψ=Potencial elétrico
transmembrana =
(0,05 a 0,2 V)
Citosol
Potencial de 
membrana
50 a 70 mV
Termodinâmica do Transporte de sódio e potássio
3Na+(int) + 2K+(ext) + ATP →→→→ ADP + Pi + 3 Na+(ext) + 2K+(int)
∆Ψ+=∆
+
+
+
zF
Na
Na
G
int][
ext][
lnRT)foraNa trans(
)07,0)(485,96)(1(
10
140
ln)310)(008314,0()foraNa trans( ++=∆ +G
1kJmol 6,13)foraNa trans( −+ +=∆G
)07,0)(485,96)(1(
5
100
ln)310)(008314,0()dentro Ktrans( −+=∆ +G
1kJmol 01)dentro Ktrans( −+ +=∆ ,G
1
kJmol 8,42)dentrotransK(2)foratransNa(3)ions totaltrans(
−++
+=∆+∆=∆ GGG
A energia livre de hidrólise de ATP
]ATP[
]ADP][Pi[
lnRTGG o +∆=∆ Nas condições celulares ∆∆∆∆G = -43,1 a –57,5 kJ mol-1
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O ATP pode doar grupos fosforil, 
pirofosforil e adenilil 
∆∆∆∆G’°°°°=-30,5 kJ/mol ∆∆∆∆G’°°°°=-45,6 kJ/mol
Reação de adenililação na ativação de um ácido graxo 
Acido graxo + CoA →→→→ Acil-CoA, 
∆∆∆∆G°′°′°′°′ = +31,4 kJ mol-1
ATP + H2O →→→→ AMP + PPi, 
∆∆∆∆G°′°′°′°′ = -45,6 kJ mol-1
PPi + H2O →→→→ 2 Pi, 
∆∆∆∆G°′°′°′°′ = -19,22 kJ mol-1
EXERCÍCIOS: CÁLCULO DE ∆∆∆∆G DE REAÇÕES 
ACOPLADAS
3. Considerando as seguintes reações parciais:
1. GTP + H2O →→→→ GDP + Pi ∆∆∆∆G’°°°° = -34,0 kJ/mol
2. Succinil-CoA + H2O →→→→ succinato + CoA ∆∆∆∆G’°°°° = -37,4kJ/mol
3. Glicose 1-fosfato + H2O →→→→ glicose + Pi ∆∆∆∆G’°°°° = -21,0 kJ/mol
A) O succinil-CoA poderá ser formado por acoplamento com a reação 
1 nas condições padrões? Escreva a reação global e calcule o valor 
de ∆∆∆∆G’°°°° da reação acoplada.
B) A glicose 1-fosfato poderá ser formada por acoplamento com a 
reação 1 nas condições padrões? Escreva a reação global e calcule 
o valor de ∆∆∆∆G’°°°° da reação acoplada.