TRABALHO PRONTO DE BIOENERGETICA

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katiucce borges de morais
“bioenergética”
Rio Verde
2016
Trabalho de pesquisa sobre: ”Bioenergética” apresentada como requisito para a obtenção de nota parcial da disciplina de Bioquímica pelo Curso de Farmácia do Instituto de Ensino Superior de Rio Verde – Faculdade Objetivo, ministrada pelo professor Me Lessandro do Carmo Lima.
“bioenergética”
Rio Verde
2016
Sumário 
Introdução.....................................................................................................................4
1. Conceitos Básicos....................................................................................................6
1.1. Conceito de Metabolismo......................................................................................6
1.1.1. Catabolismo........................................................................................................7
1.1.2. Anabolismo.........................................................................................................7
2. Termodinâmica.........................................................................................................8
2.1. Leis da Termodinâmica..........................................................................................8
2.2. Entropia e Entalpia................................................................................................9
2.3. Energia Livre de Gibbs.........................................................................................10
3. Energia Livre Padrão e Constante de Equilíbrio......................................................10
4. Compostos de “alta energia”...................................................................................11
5. Acoplamento de Reações.......................................................................................17
Introdução
A bioenergética é a instância da bioquímica que aborda a transferência, conversão e utilização da energia em sistemas biológicos. Para tanto, lança mão de subsídios da química e, sobretudo da física no sentido de melhor explicar esses eventos no meio biológico. Um conceito fundamental em bioenergética é o de energia livre (DG), um conceito pertinente à termodinâmica, (do Grego θερμη, therme, significa "calor" e δυναμις, dunamis, significa "potência"). É o segmento da Física que aborda os efeitos da mudança nos valores de temperatura, pressão e volume em sistemas físicos na escala macroscópica. De forma genérica, calor significa "energia" em trânsito, e dinâmica se relaciona com "movimento". Por essa razão, em essência, a Termodinâmica estuda o movimento da energia e como a energia cria movimento. Historicamente, a Termodinâmica se desenvolveu dada a necessidade de aumentar a eficiência das primeiras máquinas a vapor. Posteriormente, a ciência percebeu que a termodinâmica era muito mais abrangente, de tal forma que abarca o próprio universo e também é capaz de explicar os mecanismos pelos quais os sistemas biológicos convertem e geram energia para seus processos fundamentais. As células utilizam a energia livre para suas funções, a energia livre pode ser definida como um potencial termodinâmico que mede o trabalho “útil” que se obtém num sistema isotérmico (com temperatura constante), isobárico (com pressão constante) e isocórico (com volume constante). Em termodinâmica conceitua-se duas entidades importantes: sistema e vizinhança. Sistema é a matéria contida numa determinada região do espaço, enquanto que vizinhança é o que sobra do universo. A primeira lei da termodinâmica enuncia que a energia total de um sistema e de sua vizinhança é constante. A energia tanto do sistema quanto da vizinhança pode ser transformada, mas não destruída e nem criada. As leis da termodinâmica descrevem a conversão, obtenção e o dispêndio energético em sistemas biológicos - O ponto inicial para a maioria das considerações termodinâmicas são as Leis da Termodinâmica, que postulam que a energia pode ser transferida de um sistema físico para outro como calor ou trabalho. A primeira lei da termodinâmica descreve a conservação da energia, postulando que as alterações em um sistema fechado. De forma mais elaborada, diz que na transformação de calor em trabalho e vice-versa, as quantidades inicial e final de calor e trabalho a variação de calor e o trabalho, ambos em valores absolutos, são equivalentes, e que a soma total do potencial energético de um Sistema Fechado é a mesma antes e depois de uma transformação. Sistema Fechado é definido como aquele que não sofre interferência externa, não perdendo nem ganhando energia para o exterior. Nessa lei observa a equivalência entre trabalho e calor. Este princípio pode ser enunciado a partir do conceito de energia interna (U). Esta pode ser entendida como a energia associada aos átomos e moléculas em seus movimentos e interações internas ao sistema. Para um sistema termodinâmico, a primeira lei é dada por:
Q - W = ΔU, onde:
Q é o calor transferido entre o sistema e sua vizinhança devido a uma diferença de temperatura entre eles.
W é o trabalho realizado sobre, ou pelo, o sistema por forças que agem através da fronteira do sistema.
ΔU é a variação na energia interna do sistema que ocorre quando calor e/ou trabalho é transferida para dentro ou para fora do sistema.
Nessa discussão será adotada a seguinte convenção: Q > 0 quando calor é transferido para o sistema e W > 0 quando trabalho é feito pelo sistema. A primeira lei da termodinâmica gera uma constatação importante: toda conversão de energia é acompanhada da produção de energia térmica ou calor. Lavoisier sintetizou a primeira lei em sua célebre frase: “Na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma”. Enquanto a primeira lei da termodinâmica estabelece a conservação de energia em qualquer transformação, a segunda lei estabelece condições para que as transformações termodinâmicas possam ocorrer. Num sentido geral, a segunda lei da termodinâmica afirma que as diferenças entre sistemas em contato tendem a igualar-se. 
1. Conceitos Básicos
 1.1. Conceito de Metabolismo
 É a soma de todas as transformações químicas que ocorrem em uma célula ou organismo, ocorrendo em uma série de reações catalisadas por enzimas, que constituem as Vias Metabólicas. Objetivos do Metabolismo
 • Obter energia química, tanto a partir da energia solar capturada, como da degradação de nutrientes ricos em energia obtidos do meio;
 • Converter as moléculas dos nutrientes em moléculas características da própria célula, incluindo precursores macromoleculares;
 • Polimerizar precursores monoméricos em proteínas, ácidos nucléicos, polissacarídeos e outros componentes celulares;
 • Sintetizar e degradar as biomoléculas necessárias em funções celulares especializadas.
Figura 1
 1.1.2. Catabolismo
 É fase de degradação do metabolismo, no qual as moléculas nutrientes (carboidratos, gorduras e proteínas) são convertidas em produtos finais menores e mais simples.
As vias catabólicas liberam energia livre, e parte desta energia é conservada na forma de ATP e carreadores de elétrons reduzidos.
 1.1.3. Anabolismo 
Também chamado de biossíntese. Precursores simples e menores são utilizados na construção de moléculas maiores e mais complexas, incluindo lipídeos, polissacarídeos, proteínas e ácidos nucléicos;
 As Vias Anabólicas necessitam de energia para serem realizadas. Essa energia é liberada pela hidrólise de ATP e poder redutor de NAD+ e NADH. 
Figura 2
2. Termodinâmica
 Do grego: therme – calor dynamis – energia “Estudo da energia e de seus efeitos sobre a matéria” 
• Abrange toda e qualquer mudança que ocorre no Universo. 
• A vida e as transformações energéticas biológicas seguem as leis da Termodinâmica.
 • Os organismos vivos são sistemas termodinâmicos:
 • Possuem uma demanda constante de Energia 
• Destinam uma porçãoconsiderável da sua aparelhagem bioquímica para a aquisição e utilização dessa energia
2.1. Leis da Termodinâmica 
1ª Lei da Termodinâmica: “Em qualquer mudança química ou física, a quantidade total de energia no Universo permanece constante, mesmo que a forma de energia possa mudar.” 
• Princípio da Conservação da Energia: A energia não pode ser criada nem destruída, mas somente convertida de uma forma em outra. → A partir da primeira lei, pode-se constatar que:
 • Toda transformação de Energia se acompanha da produção de Energia Térmica;
• Qualquer forma de energia ou trabalho pode ser totalmente convertida em calor. No entanto, a recíproca não é verdadeira, porque o calor não pode ser totalmente convertido em energia ou trabalho, uma parte sempre permanecerá sobre calor.
 2ª Lei da Termodinâmica: Esta lei possui vários enunciados e corolários, entre eles: o Os sistemas tendem a proceder de estados ordenados (baixa probabilidade) para estados desordenados (alta probabilidade). o Todos os processos que ocorrem naturalmente procedem em direção ao equilíbrio, isto é, para um estado de energia mínima. Como corolário importante desta lei, temos que: o É possível, com a realização de um trabalho, transferir energia de um nível mais baixo para um nível mais alto. • De acordo com a 1ª e 2ª Lei, pode-se concluir que: Como a quantidade de energia sempre se mantém constante, após cada transformação energética, a qualidade da energia diminui.
 2.2. Entropia e Entalpia
 • A entropia (S) indica o grau de desordem de um sistema. É uma forma de energia incapaz de realizar trabalho; 
• De acordo com a 2ª Lei da TD, em todos os processos naturais, a entropia do Universo sempre tende a aumentar. 
• A entalpia (H) é o conteúdo de calor de um sistema. Reflete o número e tipo de ligações químicas nos reagentes e produtos. 
 Reações Exotérmicas (exos – fora; thermos – calor): ∆H < 0; 
 Reações Endotérmicas (endos – dentro; thermos – calor): ∆H>0. 
2.3. Energia Livre de Gibbs 
• A energia livre de Gibbs (G) expressa a quantidade de energia capaz de realizar trabalho durante uma reação, em temperatura e pressão constantes; 
 É definida por: G = H − TS Como conseqüência, processos espontâneos sob temperatura e pressão constantes possuem: ∆G = ∆H − T∆S < 0 • Tais processos são ditos exergônicos. Os processos que não são espontâneos possuem valores positivos (∆G > 0); eles devem ser forçados pela introdução de Energia Livre;
 • Se um processo for exergônico, seu reverso é endergônico. Os processos em equilíbrio, nos quais as reações nos dois sentidos estão exatamente balanceadas, são caracterizados por ∆G=0; 
Geralmente, somente as variações de G, H e S podem ser mensuradas e não seus valores absolutos; Um processo acompanhado por um acréscimo de entalpia (∆H > 0), que, portanto se opõe a sua realização, poderá ocorrer espontaneamente se a ∆S for suficientemente positiva (∆S > 0);
Um processo acompanhado por um decréscimo na Entropia (∆S < 0) poderá ser espontâneo se a ∆H for suficientemente negativa (∆H < 0); • Valores Negativos de ∆G e velocidade de reação
3. Energia Livre Padrão e Constante de Equilíbrio
 • A entropia é uma função da Concentração ∆G = ∆H − T∆S < 0
 • Se a Entropia varia com a concentração, o mesmo acontece com a energia livre. Portanto, a ∆G de uma reação química depende da concentração dos reagentes e dos produtos.
Figura 3
A Keq. (Constante de Equilíbrio) de uma reação pode ser calculada a partir dos dados da Energia Livre Padrão e vice-versa. A maioria das reações bioquímicas ocorre em soluções bem tamponadas, pH perto de 7,0. Ambos o pH e a [H2O] = 55,5M são constantes. Para conveniência nos cálculos, um padrão diferente foi determinado:
Figura 4
Constantes Físicas baseadas no padrão bioquímico são notadas com o símbolo ’, para distinguir das constantes utilizadas pelos químicos e físicos; Sob estas convenções, quando a H2O ou o H+ são reagentes ou produtos, suas concentrações não entram nos cálculos, pois já estão incorporadas nas constantes ΔG0’ e K’eq..
4. Compostos de “alta energia”
As células obtêm a energia necessária para a sua manutenção e crescimento pela degradação de vários nutrientes, tais como, glicose (carboidrato), aminoácidos (proteínas) e ácidos graxos (lipídeos não– esteróides). Por exemplo, a energia livre padrão liberada durante a oxidação da glicose até CO2 e H2O é:
Figura 5
Em condições aeróbicas, a energia liberada na reação acima é utilizada na síntese de, aproximadamente, 32 moléculas de ATP (trifosfato de adenosina) para cada molécula de glicose. O ATP é um carreador ou transportador de energia livre. Outros compostos fosforilados e tioésteres também têm grandes energias livre de hidrólise e, juntamente com o ATP, são denominados de compostos de “alta energia” (ou “ricos em energia”) (figura 6). Basicamente, a energia livre liberada pela degradação de nutrientes é convertida em compostos de “alta energia” cuja hidrólise liberam energia livre utilizadas pelas células para exercer suas funções.
Figura 6
Os valores negativos de ΔG°′ da hidrólise dos compostos apresentados na (figura 6) uma tabela, são denominados de potencial de transferência de grupos fosfato e são medidas da tendência dos grupos fosforilados em transferir seus grupos fosfato para a água. Por exemplo, o ATP tem um potencial de transferência de 30,5 comparados com 13,8 para a glicose–6–fosfato. Isso significa que a tendência do ATP em transferir um grupo fosfato é maior que o da glicose 6-fosfato.
Alguns autores representam as ligações de “alta energia” pelo til (~). Deve-se salientar, no entanto, que a energia não reside na ligação específica hidrolisada mas resulta dos produtos de reação que têm menor conteúdo de energia livre que aquele dos reagentes.
A. Trifosfato de adenosina (ATP)
A energia livre liberada pelas reações de degradação de moléculas combustíveis em processos exergônicos, é conservada na forma de intermediários de “alta energia”. O intermediário central de “alta energia” é a trifosfato de adenosina (ATP) cuja hidrólise exergônica impulsiona processos endergônicos.
O ATP é um nucleotídio formado por uma unidade de adenina, uma de ribose e três grupos fosfato seqüencialmente ligados por meio de uma ligação fosfoéster seguida de duas ligações fosfoanidrido. As formas ativas do ATP e ADP estão complexadas com o Mg2+ ou outros íons. Estrutura de ATP:
Figura 7
Figura 8
 O elevado potencial de transferência de grupos fosfato do ATP é explicada por várias razões:
• Repulsões eletrostáticas mútuas. Na faixa de pH fisiológico, o ATP tem 4 cargas negativas (o ADP tem 3) que se repelem vigorosamente. Por hidrólise, o ATP produz ADP e Pi que é mais estável pela redução da repulsão eletrostática em relação ao ATP. Os íons Mg2+ neutralizam parcialmente as cargas negativas do ATP tornando a sua hidrólise menos exergônica.
• Estabilização por ressonância. Os produtos de hidrólise do ATP – o ADP ou o AMP – são mais estáveis que o ATP pela capacidade de rapidamente oscilar entre diferentes estruturas. O ADP tem maior estabilidade por ressonância da ligação fosfoanidro que o ATP.
• Energia de solvatação do anidrido fosfórico. A menor energia de solvatação do anidrido fosfórico quando comparada aos seus produtos de hidrólise, fornece a força termodinâmica que impulsiona a sua hidrólise.
A variação de energia livre (ΔG°′) de hidrólise do ATP a ADP e fosfato é –30,5 kJ⋅mol–1 em condições padrão (1,0 M para o ATP, ADP e Pi). Entretanto, intracelularmente, não são encontradas concentrações padrão e sim quantidades reais. Nessas condições, a variação de energia livre de hidrólise do ATP depende em parte da concentração dos reagentes e produtos na célula como também do pH e da força iônica. No entanto, para simplificar os cálculos, será empregado o valor –30,5 kJ⋅mol–1 para a hidrólise do ATP, mesmo reconhecendo, que este é um valor mínimo.
O ATP pode ser regenerado por dois mecanismos:
• Fosforilação ao nível do substrato. É a transferênciadireta do grupo fosfato (Pi) para o ADP (ou outro nucleosídeo 5’–difosfato) para formar ATP, empregando a energia livre proveniente de
processos exergônicos.
• Fosforilação oxidativa. O processo no qual os elétrons liberados durante a oxidação de substratos (reações de degradação) são transferidos para a cadeia mitocondrial transportadora de elétrons através de coenzimas reduzidas (NADH e FADH2) para o oxigênio molecular. A energia livre liberada promove a síntese de ATP a partir de ADP e Pi. 
B. Outros nucleotídeos 5’-trifosfatos
Outros nucleotídeos 5’–trifosfatos (NTPs) apresentam energia livre de hidrólise equivalente ao ATP. Suas concentrações intracelulares são baixas o que restringe a sua função. Vários processos biossintéticos, como a síntese de glicogênio, proteínas e ácidos nucléicos necessitam de outros trifosfatos de nucleosídeos. A enzima inespecífica nucleosídeo−difosfato−cinase catalisa a síntese (fosforilação) de NTPs (CTP, GTP, TTP, UTP) a partir do ATP e dos
NDPs (nucleosídeos difosfatos) correspondentes:
ATP + NDP 􀀧 ADP + NTP
A energia livre padrão liberada é -218 kJ⋅mol–1 na transferência de um par de elétrons do NADH até o oxigênio molecular na cadeia respiratória mitocondrial. A energia liberada é suficiente para sintetizar três ATP a partir de 3ADP e 3Pi (3 x 30,5 = 91,5 kJ⋅mol–1).
5. Acoplamento de Reações
Figura 9
Reações termodinamicamente desfavoráveis são impulsionadas por reações exergônicas à qual estão acopladas. As reações exergônicas fornecem energia que dirigem as reações endergônicas. A interconexão entre reações endergônicas e exergônicas é chamada acoplamento.
Podem ocorrer duas formas de acoplamento:
1. Através de um intermediário comum. A energia gerada por uma reação biológica ou processo muitas vezes impulsiona uma segunda reação que não ocorre espontaneamente. O acoplamento pode ocorrer através de um intermediário comum (BX):
Figura 10
A soma das variações de energia livre deve ser negativa para o desenvolvimento das reações. O fluxo de energia no metabolismo de muitas reações está acoplado com o ATP que atua como intermediário carreador de energia:
Figura 11
Assim, uma reação termodinamicamente desfavorável (endergônica) torna-se altamente favorável pelo acoplamento à hidrólise de moléculas de ATP.
2. Através da transferência de grupos químicos. Os carreadores mais importantes são: (a) o ATP (e outros nucleosídeos 5´–trifosfatos) na transferência de grupos fosfato; (b) tioésteres como a coenzima A(CoA–SH) que carreiam o grupo acetil na forma de acetil-CoA – produto comum do catabolismo de carboidratos, de ácidos graxos e de aminoácidos – e de outros grupos acila; (c) o NAD(P)H que transporta íons hidrogênio e elétrons provenientes das reações de oxidação (catabólicas).
Bibliografia
MOTTA, Valter T. Motta, Bioquímica Básica. 2 ed.- Editora Medbook.
Bioquímica Ilustrada - 5ª Ed. - Pamela C. Champe; Richard A.Harvey ; Denise R. Ferrier; tradução André krumel Portella; revisão técnica: Carla Dalmaz; Porto Alegre: Artmed, 2012.