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Glicose Lehningher - Parte 2

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13 Bioenergética e tipos de reações 
bioquímicas 505
14 Glicólise, gliconeogênese e a via das 
pentoses-fosfato 543
15 Princípios da regulação metabólica 587
16 Ciclo do ácido cítrico 633
17 Catabolismo de ácidos graxos 667
18 Oxidação de aminoácidos e produção de 
ureia 695
19 Fosforilação oxidativa e fotofosforilação 731
20 Biossíntese de carboidratos em plantas e 
bactérias 799
21 Biossíntese de lipídeos 833
22 Biossíntese de aminoácidos, nucleotídeos e 
moléculas relacionadas 881
23 Regulação hormonal e integração do metabolismo 
em mamíferos 929
O metabolismo é uma atividade celular altamente coor-denada, em que muitos sistemas multienzimáticos (vias metabólicas) cooperam para (1) obter energia 
química capturando energia solar ou degradando nutrien-
tes energeticamente ricos obtidos do meio ambiente; (2) 
converter as moléculas dos nutrientes em moléculas com 
características próprias de cada célula, incluindo precur-
sores de macromoléculas; (3) polimerizar precursores 
monoméricos em macromoléculas (proteínas, ácidos nu-
cleicos e polissacarídeos); e (4) sintetizar e degradar as 
biomoléculas necessárias para as funções celulares espe-
cializadas, como lipídeos de membrana, mensageiros intra-
celulares e pigmentos.
Embora o metabolismo englobe centenas de diferentes 
reações catalisadas por enzimas, o grande objetivo da Par-
te II é o estudo das principais vias metabólicas, poucas em 
número e notavelmente semelhantes em todas as formas 
de vida. Os organismos vivos podem ser divididos em dois 
grandes grupos de acordo com a forma química pela qual 
obtêm carbono do meio ambiente. Os autotróficos (como 
bactérias fotossintéticas, algas verdes e plantas vasculares) 
podem usar o dióxido de carbono da atmosfera como sua 
única fonte de carbono, a partir do qual formam todas as 
suas biomoléculas constituídas de carbono (ver Figura 1-5). 
Alguns organismos autotróficos, como as cianobactérias, 
também podem utilizar nitrogênio atmosférico para gerar 
todos os seus componentes nitrogenados. Os heterotrófi-
cos não conseguem utilizar o dióxido de carbono atmosfé-
rico e devem obter carbono a partir do ambiente na forma 
de moléculas orgânicas relativamente complexas, como a 
glicose. Os animais multicelulares e a maioria dos micror-
ganismos são heterotróficos. As células e os organismos au-
totróficos são relativamente autossuficientes, enquanto as 
células e os organismos heterotróficos, por necessitarem de 
carbono em formas mais complexas, dependem de produ-
tos de outros organismos.
Muitos organismos autotróficos são fotossintéticos e 
obtêm sua energia da luz solar, enquanto organismos hete-
rotróficos obtêm sua energia a partir da degradação de nu-
trientes orgânicos produzidos por autotróficos. Em nossa 
biosfera, os autotróficos e heterotróficos vivem juntos em 
um ciclo vasto e interdependente em que os organismos 
autotróficos usam o dióxido de carbono atmosférico para 
construir suas biomoléculas orgânicas, alguns deles geran-
PARTE II
Bioenergética e Metabolismo
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502 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
do oxigênio a partir da água durante o processo. Os orga-
nismos heterotróficos, por sua vez, utilizam os produtos 
orgânicos dos autotróficos como nutrientes e devolvem 
dióxido de carbono para a atmosfera. Algumas das reações 
de oxidação que produzem dióxido de carbono também 
consomem oxigênio, convertendo-o em água. Assim, car-
bono, oxigênio e água são constantemente reciclados en-
tre os mundos heterotrófico e autotrófico, com a energia 
solar como a força que impulsiona esse processo global 
(Figura 1).
Todos os organismos vivos também exigem uma fonte 
de nitrogênio, necessária para a síntese de aminoácidos, 
nucleotídeos e outros componentes. As bactérias e as plan-
tas, geralmente, podem usar amônia ou nitrato como única 
fonte de nitrogênio, mas os vertebrados devem obter nitro-
gênio na forma de aminoácidos ou de outros compostos or-
gânicos. Somente alguns organismos – as cianobactérias e 
muitas espécies de bactérias do solo, que vivem simbiotica-
mente sobre as raízes de algumas plantas – são capazes de 
converter (“fixar”) nitrogênio atmosférico (N2) em amônia. 
Outras bactérias (as bactérias nitrificantes) oxidam amônia 
em nitritos e nitratos; e outras, ainda, convertem nitrato a 
N2. As bactérias anamox convertem amônia e nitrito em N2. 
Portanto, além dos ciclos globais de carbono e oxigênio, um 
ciclo de nitrogênio opera na biosfera, movimentando enor-
mes quantidades de nitrogênio (Figura 2). A reciclagem 
de carbono, oxigênio e nitrogênio que, em última análise, 
envolve todas as espécies, depende do equilíbrio adequado 
entre as atividades dos produtores (autotróficos) e consu-
midores (heterotróficos) em nossa biosfera.
Esses ciclos de matéria são impulsionados por um enor-
me fluxo de energia na biosfera, iniciando com a captura da 
energia solar pelos organismos fotossintéticos e a utilização 
dessa energia para gerar carboidratos ricos em energia e 
outros nutrientes orgânicos; esses nutrientes são, então, 
usados como fontes de energia por organismos heterotrófi-
cos. Nos processos metabólicos, e em todas as transforma-
ções energéticas, existe uma perda de energia útil (energia 
livre) e um aumento inevitável na quantidade de energia 
não utilizável (calor e entropia). Ao contrário da reciclagem 
de matéria, portanto, a energia flui em uma direção através 
da biosfera; os organismos não conseguem reciclar energia 
útil a partir da energia dissipada na forma de calor e en-
tropia. Carbono, oxigênio e nitrogênio são reciclados conti-
nuamente, mas energia é constantemente transformada em 
formas não utilizáveis, como o calor.
O metabolismo, a soma de todas as transformações 
químicas que ocorrem em uma célula ou em um organismo, 
ocorre por meio de uma série de reações catalisadas por 
enzimas que constituem as vias metabólicas. Cada uma 
das etapas consecutivas em uma via metabólica produz uma 
pequena alteração química específica, em geral a remoção, 
a transferência ou a adição de um átomo particular ou um 
grupo funcional. O precursor é convertido em um produ-
to por meio de uma série de intermediários metabólicos 
chamados de metabólitos. O termo metabolismo inter-
mediário frequentemente é aplicado às atividades combi-
nadas de todas as vias metabólicas que interconvertem pre-
cursores, metabólitos e produtos de baixo peso molecular 
(em geral, Mr , 1.000).
O catabolismo é a fase de degradação do metabolis-
mo, na qual moléculas nutrientes orgânicas (carboidratos, 
gorduras e proteínas) são convertidas em produtos finais 
menores e mais simples (como ácido láctico, CO2 e NH3). 
As vias catabólicas liberam energia, e parte dessa energia 
é conservada na forma de ATP e de transportadores de 
elétrons reduzidos (NADH, NADPH e FADH2); o restante 
é perdido como calor. No anabolismo, também chamado 
de biossíntese, precursores pequenos e simples formam 
moléculas maiores e mais complexas, incluindo lipídeos, 
polissacarídeos, proteínas e ácidos nucleicos. As reações 
anabólicas necessitam de fornecimento de energia, geral-
mente na forma de potencial de transferência do grupo 
fosforil do ATP e do poder redutor de NADH, NADPH e 
FADH2 (Figura 3).
Heterotróficos
Autotróficos
fotossintetizantes
 
 Pr
od
uto
s orgânicos
O2
CO2
H2O
FIGURA 1 Ciclo do dióxido de carbono e do oxigênio entre o domí-
nio autotrófico (fotossintético) e o heterotrófico na biosfera. O fluxo 
de massa por esse ciclo é enorme; 4 3 1011 toneladas de carbono são recicla-
das anualmente na biosfera.
Bactérias e arqueias
fixadoras de
nitrogênio
Bactérias
Anamox
Bactérias,
arqueias e fungos
 desnitrificantes
Bactérias
nitrificantes
Bactérias e arqueiasnitrificantes
Plantas
Plantas
Animais
NH14
Amônia
NO22
Nitrito
NO23
Nitrato
N2 na
atmosfera
Aminoácidos
FIGURA 2 Ciclo do nitrogênio na biosfera. O nitrogênio (N2) gasoso 
compreende mais de 80% da atmosfera da Terra.
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P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 503
Algumas vias metabólicas são lineares e algumas são ra-
mificadas, gerando múltiplos produtos finais úteis a partir 
de um único precursor ou convertendo vários precursores 
em um único produto. Em geral, as vias catabólicas são 
convergentes e as vias anabólicas são divergentes (Figura 
4). Algumas vias são cíclicas: um composto inicial da via é 
regenerado em uma série de reações que converte outro 
componente inicial em um produto. Serão analisados exem-
plos de cada tipo de via nos capítulos a seguir.
A maioria das células tem as enzimas para realizar tanto 
a degradação quanto a síntese das categorias importantes 
de biomoléculas – ácidos graxos, por exemplo. No entanto, 
a síntese e a degradação simultâneas de ácidos graxos se-
riam inúteis, e isso é evitado pela regulação recíproca das 
sequências de reações anabólicas e catabólicas: quando 
uma sequência está ativa, a outra está suprimida. Tal regu-
lação não poderia ocorrer se as vias anabólicas e catabóli-
cas fossem catalisadas por exatamente o mesmo grupo de 
enzimas, operando em um sentido para o anabolismo, e no 
sentido oposto para o catabolismo: a inibição de uma enzi-
ma envolvida no catabolismo também inibiria a sequência 
de reações no sentido do anabolismo. As vias catabólicas 
e anabólicas que conectam os mesmos produtos finais (p. 
ex., glicose S S piruvato, e piruvato S S glicose) podem 
empregar muitas das mesmas enzimas, mas invariavelmen-
te pelo menos uma das etapas é catalisada por enzimas di-
ferentes nos sentidos catabólico e anabólico, e essas enzi-
mas constituem pontos de regulação independentes. Além 
disso, a fim de que as vias anabólicas e catabólicas sejam 
essencialmente irreversíveis, pelo menos uma das reações 
específicas de cada sentido deve ser termodinamicamente 
muito favorável – em outras palavras, uma reação cuja rea-
ção inversa é muito desfavorável. Como contribuição adi-
cional à regulação independente das sequências de reações 
anabólicas e catabólicas, elas geralmente ocorrem em com-
partimentos celulares distintos: por exemplo, o catabolismo 
de ácidos graxos na mitocôndria, e a síntese dos ácidos gra-
xos no citosol. As concentrações de intermediários, enzi-
mas e reguladores podem ser mantidas em diferentes níveis 
nesses compartimentos distintos. Como as vias metabólicas 
são cineticamente controladas pela concentração do subs-
trato, conjuntos separados de intermediários anabólicos e 
catabólicos também contribuem para o controle das taxas 
metabólicas. Esses recursos que separam os processos ana-
bólicos e catabólicos serão de interesse particular em nossa 
discussão sobre o metabolismo.
As vias metabólicas são reguladas em vários níveis, den-
tro e fora das células. A regulação mais imediata é a dispo-
nibilidade de substrato; quando a concentração intracelu-
lar do substrato de uma enzima está próxima ou abaixo do 
Km (como é o caso, comumente), a velocidade de reação 
depende muito da concentração do substrato (ver Figura 
6-11). Um segundo tipo de controle rápido dentro da célula 
é a regulação alostérica (p. 226) por um intermediário me-
tabólico ou por uma coenzima – um aminoácido ou ATP, por 
exemplo – que sinaliza o estado metabólico no interior da 
célula. Quando a célula contém uma quantidade de asparta-
to, por exemplo, suficiente para suas necessidades imedia-
tas, ou quando os níveis celulares de ATP indicam não ser 
necessário o consumo adicional de combustível no momen-
to, esse sinais inibem alostericamente a atividade de uma 
ou mais enzimas nas vias pertinentes. Em organismos mul-
ticelulares, as atividades metabólicas de tecidos diferentes 
são reguladas e integradas por fatores de crescimento e 
hormônios que atuam de fora da célula. Em alguns casos, 
essa regulação ocorre quase que instantaneamente (algu-
mas vezes em menos de um milissegundo) por alterações 
nos níveis dos mensageiros intracelulares que, por sua vez, 
modificam a atividade de enzimas intracelulares por meca-
nismos alostéricos ou por modificações covalentes, como a 
fosforilação. Em outros casos, o sinal extracelular modifica 
a concentração celular de uma enzima alterando a velocida-
de de sua síntese ou degradação, de tal forma que o efeito é 
visto apenas em minutos ou horas.
A Parte II inicia com uma discussão sobre os princípios 
energéticos básicos que governam todo o metabolismo (Ca-
pítulo 13). Em seguida, aborda as principais vias metabóli-
cas pelas quais as células obtêm energia a partir da oxida-
ção de vários combustíveis (Capítulos 14 a 19). O Capítulo 
19 é o ponto principal da discussão sobre o metabolismo; 
ele trata do acoplamento de energia quimiosmótica, meca-
nismo universal em que um potencial eletroquímico trans-
Moléculas
precursoras
Aminoácidos
Açúcares
Ácidos graxos
Bases nitrogenadas
Nutrientes
energéticos
Carboidratos
Gorduras
Proteínas
Anabolismo ATP
NADH
NADPH
FADH2
Catabolismo
Energia
química
ADP 1 HPO2
NAD1
NADP1
FAD
 
Macromoléculas
celulares
Proteínas
Polissacarídeos
Lipídeos
Ácidos nucleicos
Produtos finais
sem energia
CO2
H2O
NH3
FIGURA 3 A relação energética entre as vias catabólicas e anabóli-
cas. As vias catabólicas liberam energia química na forma de ATP, NADH, 
NADPH e FADH2. Esses transportadores de energia são usados em vias ana-
bólicas para converter precursores pequenos em macromoléculas celulares.
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504 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
membrana, produzido tanto por oxidação de substratos 
como por absorção de luz, promove a síntese de ATP.
Os Capítulos 20 a 22 descrevem as principais vias ana-
bólicas pelas quais as células utilizam a energia do ATP para 
produzir carboidratos, lipídeos, aminoácidos e nucleotídeos 
a partir de precursores mais simples. O Capítulo 23 volta a 
abordar o estudo das vias metabólicas – como elas ocorrem 
em todos os organismos, de Escherichia coli a humanos 
– e considera como elas são reguladas e integradas por me-
canismos hormonais nos mamíferos.
No momento em que o foco de estudo será o metabo-
lismo intermediário, uma observação final. Não esqueça de 
que uma grande quantidade das reações descritas nestas 
páginas ocorre e tem funções fundamentais em organis-
mos vivos. A cada reação e a cada via que você encontrar, 
questione: o que essa transformação química faz pelo or-
ganismo? Como essa via se conecta com as outras vias que 
operam simultaneamente na mesma célula para produzir a 
energia e os produtos necessários para a manutenção e o 
crescimento da célula? Como os diferentes níveis dos me-
canismos de regulação cooperam para o balanço metabólico 
e o fornecimento e consumo de energia, alcançando o es-
tado de equilíbrio dinâmico da vida? Estudando com essa 
perspectiva, o metabolismo proporciona dados fascinantes 
e reveladores sobre a vida, com aplicações incontáveis na 
medicina, agricultura e biotecnologia.
Borracha
Ácidos
biliares
Hormônios
esteroides
(a) Catabolismo convergente
(b) Anabolismo divergenteOxaloacetato
CO2
CO2
(c) Via cíclica
Acetato
(acetil-CoA)
Citrato
PiruvatoGlicoseGlicogênio
Fosfolipídeos
Alanina
Ácidos graxos
Leucina
Fenilalanina
Isoleucina
Amido
SerinaSacarose
Eicosanoides
Fosfolipídeos
Pigmentos
carotenoides
Vitamina K
Triacilgliceróis
Ésteres de
colesteril
TriacilgliceróisMevalonato
Isopentenil-
-pirofosfato
Ácidos graxos
Acetoacetil-CoA
Diacilglicerol-CDP
Colesterol
FIGURA 4 Três tipos de vias metabólicas não linea-
res. (a) Convergente, catabólica, (b) divergente, anabólica, e 
(c) cíclica. Em (c), um dos compostos de partida (no caso, o 
oxaloacetato) é regenerado e reingressa na via. O acetato, um 
intermediário metabólico chave, é o produto da degradação 
de uma variedade de combustíveis (a), serve de precursor de 
um grande número de produtos (b) e é consumido na via ca-
tabólica conhecida como o ciclo do ácido cítrico (c).
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13.1 Bioenergética e termodinâmica 506
13.2 Lógica química e reações bioquímicas comuns 511
13.3 Transferência de grupos fosforil e ATP 517
13.4 Reações biológicas de oxidação-redução 528
As células e os organismos vivos devem realizar traba-lho para permanecer vivos, crescer e se reproduzir. A capacidade de controlar a energia e direcioná-la para o 
trabalho biológico é uma propriedade fundamental de todos 
os organismos vivos; essa capacidade deve ter sido adquiri-
da muito cedo no curso da evolução celular. Os organismos 
modernos realizam uma notável variedade de transduções 
da energia, conversões de uma forma de energia em outra. 
Usam a energia química dos combustíveis para sintetizar 
macromoléculas complexas, altamente organizadas, a par-
tir de precursores simples. Também convertem a energia 
química dos combustíveis em gradientes de concentração e 
em gradientes elétricos, em movimento e calor e, em alguns 
organismos como o vaga-lume e peixes do fundo do mar, em 
luz. Os organismos fotossintéticos transformam a energia 
luminosa em todas essas outras formas de energia.
Os mecanismos químicos envolvidos nas transduções 
biológicas de energia têm fascinado e desafiado biólogos por 
séculos a fio. O químico francês 
Antoine Lavoisier reconheceu 
que de alguma forma os animais 
transformam os combustíveis 
químicos (alimentos) em calor e 
que esse processo de respiração 
é essencial para a vida. Ele ob-
servou que
...em geral, a respiração é nada 
mais que a combustão lenta de 
carbono e hidrogênio, seme-
lhante à que ocorre em uma 
lâmpada ou vela acesa e, desse 
ponto de vista, animais que respiram são corpos com-
bustíveis que queimam e consomem a si próprios... Al-
guém poderia dizer que essa analogia entre combustão 
e respiração não passou despercebida pelos poetas, ou 
ainda pelos filósofos da antiguidade, já tendo sido re-
latada e interpretada por eles. Esse fogo roubado dos 
céus, essa tocha de Prometeu, não representa apenas 
uma ideia engenhosa e poética, ela é um retrato fiel das 
operações da natureza, pelo menos para os animais que 
respiram; portanto, alguns podem dizer, com os antigos, 
que a tocha da vida ilumina a si mesma no momento em 
que a criança respira pela primeira vez, e ela só se extin-
gue na morte.1
A partir do século XX, aumentou a compreensão sobre 
a química relacionada à “tocha da vida”. As transduções 
biológicas de energia obedecem às mesmas leis químicas e 
físicas que governam todos os outros processos naturais. 
Portanto, é fundamental para um estudante de bioquímica 
entender essas leis e como elas se aplicam no fluxo de ener-
gia na biosfera.
Este capítulo começa revisando as leis da termodinâmi-
ca e a relação quantitativa entre energia livre, entalpia e 
entropia. Em seguida, revisa os tipos comuns de reações 
bioquímicas que ocorrem em células vivas, reações que 
controlam, armazenam, transferem e liberam a energia ad-
quirida pelos organismos do seu meio ambiente. Focaliza, 
então, as reações com funções especiais nas trocas bioló-
gicas de energia, particularmente aquelas envolvendo ATP. 
Finalmente, considera a importância das reações de oxida-
ção-redução em células vivas, as variações energéticas nas 
transferências biológicas de elétrons, e os transportadores 
de elétrons comumente utilizados como cofatores nestes 
processos.
1Memorial redigido por Armand Seguir e Antoine Lavoisier, 1789, citado em 
Lavoisier, A. (1862) Oeuvres de Lavoisier. Imprimerie Impériale, Paris.
13
Bioenergética e Tipos de 
Reações Bioquímicas
Antoine Lavoisier, 1743-1794
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506 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
13.1 Bioenergética e termodinâmica
Bioenergética é o estudo quantitativo das transduções 
energéticas que ocorrem em células vivas – mudança de 
uma forma de energia a outra – bem como da natureza e da 
função dos processos químicos envolvidos nessas transdu-
ções. Embora muitos dos princípios da termodinâmica te-
nham sido introduzidos em capítulos anteriores, podendo, 
assim, já serem familiares a você, uma revisão dos aspectos 
quantitativos desses princípios será útil.
As transformações biológicas de energia obedecem às 
leis da termodinâmica
Muitas observações quantitativas feitas por físicos e quími-
cos sobre a interconversão de diferentes formas de energia 
levaram, no século XIX, à formulação das duas leis funda-
mentais da termodinâmica. A primeira lei é o princípio da 
conservação da energia: para qualquer mudança física 
ou química, a quantidade total de energia no universo 
permanece constante; a energia pode mudar de forma 
ou pode ser transportada de uma região para outra, 
mas não pode ser criada ou destruída. A segunda lei da 
termodinâmica, que pode ser enunciada de diferentes for-
mas, diz que o universo sempre tende para o aumento da 
desordem: em todos os processos naturais, a entropia do 
universo aumenta.
“Agora, na segunda lei da termodinâmica...”
Organismos vivos são formados por uma coleção de 
moléculas, cujo grau de organização é muito maior que o 
dos componentes do seu meio ambiente a partir dos quais 
eles são formados, e os organismos produzem e mantêm 
a organização, aparentemente imunes a segunda lei da 
termodinâmica. No entanto, os organismos não violam a 
segunda lei; eles operam em rigorosa concordância com 
ela. Para discutir as aplicações da segunda lei aos sistemas 
biológicos, deve-se primeiro definir esses sistemas e o seu 
meio ambiente.
O sistema reagente é a coleção de componentes que es-
tão sendo submetidos a um determinado processo químico 
ou físico; pode ser um organismo, uma célula, ou dois com-
postos reagentes. Juntos, o sistema reagente e o seu meio 
ambiente constituem o universo. No laboratório, alguns 
processos físicos e químicos podem ser realizados isolados 
ou em sistemas fechados, nos quais não existe troca de ma-
terial ou energia com o meio. No entanto, células vivas e 
organismos são sistemas abertos, trocando tanto matéria 
quanto energia com o seu meio ambiente; os sistemas bioló-
gicos jamais atingem o equilíbrio com o seu meio ambiente, 
e a constante interação entre o sistema e o meio explica 
como os organismos podem se auto-organizar enquanto 
operam de acordo com a segunda lei da termodinâmica.
No Capítulo 1 (p. 23) foram definidos três parâmetros 
termodinâmicos que descrevem as trocas de energia que 
ocorrem em reações químicas:
Energia livre de Gibbs, G, expressa a quantidade de 
energia capaz de realizar trabalho durante uma reação à 
temperatura e pressão constantes. Quando uma reação 
ocorre com a liberação de energia livre (ou seja, quan-
do o sistema se transforma de modo a possuir menos 
energia livre), a variação da energia livre, DG, possui um 
valor negativo e a reação é chamada de exergônica. Nas 
reações endergônicas, o sistema adquire energia livre e 
o DG é positivo.
Entalpia, H, é o conteúdo de calor do sistema rea-
gente. Ela reflete o número e o tipo de ligações químicas 
nos reagentes e produtos. Quando uma reação química 
libera calor, ela é denominada exotérmica; o conteúdo 
de calor dos produtosé menor do que o dos reagentes, e 
DH possui, por convenção, um valor negativo. Os siste-
mas reagentes que captam calor do meio são endotérmi-
cos e possuem valores positivos de DH.
Entropia, S, é uma expressão quantitativa da alea-
toriedade ou desordem de um sistema (ver Quadro 1-3). 
Quando os produtos de uma reação são menos comple-
xos e mais desordenados do que os reagentes, a reação 
ocorre com ganho de entropia.
As unidades de DG e DH são joules/mol ou calorias/mol 
(lembre que 1 cal 5 4,184 J); a unidade de entropia é jou-
les/mol · Kelvin (J/mol · K) (Tabela 13-1).
Sob as condições existentes nos sistemas biológicos (in-
cluindo temperatura e pressão constantes), as variações de 
energia livre, entalpia e entropia estão quantitativamente 
relacionadas pela equação
 DG 5 DH 2 TDS (13-1)
em que DG é a variação da energia livre de Gibbs do siste-
ma reagente, DH é a variação da entalpia do sistema, T é 
a temperatura absoluta, e DS é a variação na entropia do 
sistema. Por convenção, DS possui sinal positivo quando a 
entropia aumenta e DH, como mencionado anteriormente, 
possui sinal negativo quando o sistema libera calor para o 
meio. Qualquer uma dessas condições, típicas de processos 
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energeticamente favoráveis, tendem a tornar negativo o va-
lor de DG. De fato, o valor de DG de um sistema reagente 
espontâneo é sempre negativo.
A segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia 
do universo aumenta durante todos os processos químicos 
e físicos, embora o aumento da entropia não ocorra necessa-
riamente no próprio sistema reagente. A organização pro-
duzida dentro das células, à medida que elas crescem e se 
dividem, é mais do que compensada pela desordem gerada 
no meio no curso do crescimento e da divisão (ver Quadro 
1-3, caso 2). Em resumo, os organismos vivos preservam sua 
organização interna por captarem a energia livre do meio 
na forma de nutrientes ou luz solar, e devolverem a ele uma 
quantidade de energia igual, na forma de calor e entropia.
As células necessitam de fontes de energia livre
As células são sistemas isotérmicos – elas funcionam es-
sencialmente em temperaturas constantes (e também em 
pressão constante). O fluxo de calor não é uma fonte de 
energia para as células, já que o calor é capaz de realizar 
trabalho somente quando passa por uma região ou por um 
objeto com temperatura inferior. A energia que as células 
podem e devem utilizar é a energia livre, descrita como uma 
função da energia livre de Gibbs, G, que permite predizer o 
sentido das reações químicas, sua posição de equilíbrio exa-
ta, e a quantidade de trabalho que elas podem (em teoria) 
realizar em temperatura e pressão constantes. As células 
heterotróficas adquirem energia livre a partir das moléculas 
de nutrientes, e as células fotossintetizantes adquirem ener-
gia livre da radiação solar absorvida. Os dois tipos de células 
tranformam essa energia livre em ATP e em outros com-
postos ricos em energia, capazes de fornecer energia para a 
realização de trabalho biológico em temperatura constante.
A variação da energia livre padrão está diretamente 
relacionada à constante de equilíbrio
A composição de um sistema reagente (uma mistura de 
reagentes e produtos químicos) tende à variação contínua 
até que o equilíbrio seja atingido. Nas concentrações de 
equilíbrio dos reagentes e dos produtos, as velocidades das 
reações direta e inversa são exatamente as mesmas, e não 
ocorre variação líquida adicional do sistema. As concentra-
ções dos reagentes e dos produtos no equilíbrio definem 
a constante de equilíbrio, Keq (p. 25). Na reação geral aA 1 
bB ∆ cC 1 dD, onde a, b, c e d são o número de molécu-
las de A, B, C e D que participam da reação, a constante de 
equilíbrio é dada por
 
(13-2)
onde [A], [B], [C] e [D] são as concentrações molares dos 
componentes da reação no ponto de equilíbrio.
Quando o sistema reagente não está em equilíbrio, a 
tendência em direção ao equilíbrio representa uma força 
motriz cuja intensidade pode ser expressa como a variação 
de energia livre para a reação, DG. Em condições-padrão 
(298 K 5 25°C), quando os reagentes e os produtos estão 
presentes em concentração igual a 1 M ou, para os gases, 
em pressão parcial de 101,3 quilopascais (kPa), ou 1 atm, a 
força que move o sistema na direção do equilíbrio é definida 
como a variação de energia livre padrão, DG°. Por esta de-
finição, o estado-padrão para as reações que envolvem íons 
hidrogênio é [H1] 5 1 M, ou pH 0. A maior parte das reações 
bioquímicas, no entanto, ocorre em soluções aquosas devi-
damente tamponadas em valores de pH próximos a 7; tanto 
o pH como a concentração da água (55,5 M) são essencial-
mente constantes.
CONVENÇÃOCHAVE: Para conveniência dos cálculos, os bio-
químicos definem o estado-padrão como diferente daquele 
utilizado por químicos e físicos: no estado-padrão bioquími-
co, [H1] é 1027 M (pH 7) e [H2O] é 55,5 M. Para as reações 
que envolvem Mg21 (que inclui a maioria daquelas nas quais 
o ATP é um reagente), a [Mg21] em solução é comumente 
considerada constante em 1 mM. ■
As constantes físicas com base nesse estado-padrão bio-
químico são chamadas de constantes-padrão aparentes 
e são escritas com uma apóstrofe (como DG9° e K9eq) para 
distingui-las das constantes não aparentes utilizadas pelos 
químicos e físicos. (Note que a maioria dos outros livros-
-texto usa o símbolo DG°9 em vez de DG9°. O uso de DG9°, 
recomendado por um comitê internacional de químicos e 
bioquímicos, visa enfatizar que a energia livre aparente, 
DG9, é o critério para o equilíbrio.) Por simplicidade, daqui 
por diante essas constantes aparentes serão chamadas de 
variações de energia livre padrão.
CONVENÇÃOCHAVE: Em uma outra convenção para simpli-
ficação utilizada pelos bioquímicos, quando H2O, H
1 e/ou 
Mg21 são reagentes ou produtos, as suas concentrações não 
são incluídas nas equações, como na Equação 13-2, mas es-
tão incorporadas nas constantes K9eq e DG9°. ■
Assim como a K9eq é uma constante física característica 
para cada reação, DG9° também é uma constante. Conforme 
TABELA 131 Algumas constantes físicas e unidades utilizadas na 
termodinâmica
Constante de Boltzmann, k 5 1,381 3 10223 J/K
Número de Avogadro, N 5 6,022 3 1023 mol21
Constante de Faraday, 5 96.480 J/V · mol
Constante dos gases, R 5 8,315 J/mol · K
(5 1,987 cal/mol · K)
A unidade de DG e DH é J/mol (ou cal/mol)
A unidade de DS é J/mol · K (ou cal/mol · K)
1 cal 5 4,184 J
A unidade de temperatura absoluta, T, é o grau Kelvin, K
25°C 5 298 K
A 25°C, RT 5 2,478 kJ/mol
(5 0,592 kcal/mol)
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foi mencionado no Capítulo 6, existe uma relação simples 
entre K9eq e DG9°:
 DG9° 5 2RT ln K9eq (13-3)
A variação de energia livre padrão de uma reação quí-
mica é simplesmente uma forma matemática alternati-
va para expressar sua constante de equilíbrio. A Tabela 
13-2 mostra a relação entre DG9° e K9eq. Se a constante de 
equilíbrio para uma determinada reação for igual a 1,0, a 
variação de energia livre padrão dessa reação é igual a zero 
(o logaritmo natural de 1,0 é zero). Se a K9eq de uma reação 
for maior que 1,0, seu DG9° é negativo. Se K9eq for menor que 
1,0, seu DG9° é positivo. Como a relação entre DG9° e K9eq 
é exponencial, variações relativamente pequenas em DG9° 
correspondem a uma grande mudança em K9eq.
Pode ser útil pensar na variação de energia livre de ou-
tra forma. DG9° é a diferença entre o conteúdo de energia 
livre dos produtos e o conteúdo de energia livre dos rea-
gentes, em condições-padrão.Quando DG9° é negativo, os 
produtos contêm menos energia livre do que os reagen-
tes e a reação ocorrerá espontaneamente em condições-
-padrão; todas as reações químicas tendem a seguir no 
sentido que resulta em um decréscimo na energia livre do 
sistema. Um valor positivo de DG9° significa que os produ-
tos da reação contêm mais energia livre do que os reagen-
tes, e essa reação tenderá a seguir no sentido inverso, se 
iniciarmos com concentrações iguais a 1,0 M para todos os 
componentes (condições-padrão). A Tabela 13-3 resume 
esses pontos.
PROBLEMA RESOLVIDO 131 Cálculo de DG9°
Calcule a variação de energia livre padrão da reação catali-
sada pela enzima fosfoglicomutase:
Glicose-1-fosfato ∆ glicose-6-fosfato
sendo que, iniciando a reação com 20 mM de glicose-1-
-fosfato e ausência de glicose-6-fosfato, o equilíbrio final da 
mistura a 25°C e pH 7,0 contém 1,0 mM de glicose-1-fosfato 
e 19 mM de glicose-6-fosfato. A reação no sentido da for-
mação de glicose-6-fosfato ocorre com perda ou ganho de 
energia livre?
Solução: Primeiro calcula-se a constante de equilíbrio:
[glicose-6-fosfato]
[glicose-1-fosfato]
Agora, é possível calcular a variação de energia livre padrão:
Como a variação de energia livre padrão é negativa, a con-
versão de glicose-1-fosfato em glicose-6-fosfato ocorre com 
perda (liberação) de energia livre. (Para a reação inversa, 
o DG9° contém a mesma magnitude, mas o sinal oposto.)
A Tabela 13-4 fornece a variação de energia livre padrão 
para algumas reações químicas representativas. Note que a 
hidrólise de ésteres simples, amidas, peptídeos e glicosíde-
os, assim como os rearranjos e as eliminações, ocorre com 
variações relativamente pequenas de energia livre padrão, 
enquanto a hidrólise de anidridos ácidos é acompanhada 
pelo decréscimo relativamente grande da energia livre pa-
drão. A oxidação completa de compostos orgânicos como a 
glicose ou o palmitato em CO2 e H2O, reações que requerem 
muitas etapas nas células, resulta em um decréscimo muito 
grande da energia livre padrão. No entanto, as variações de 
energia livre padrão, como aquelas da Tabela 13-4, indicam 
o quanto de energia livre está disponível a partir de uma 
reação em condições-padrão. Para descrever a energia li-
berada sob as condições existentes nas células, é essencial 
uma expressão para a variação de energia livre real.
TABELA 132 Relação entre as constantes de equilíbrio e as variações de 
energia livre das reações químicas
K9eq
DG9°
(kJ/mol) (kcal/mol)*
103 217,1 24,1
102 211,4 22,7
101 25,7 21,4
 1 0,0 0,0
1021 5,7 1,4
1022 11,4 2,7
1023 17,1 4,1
1024 22,8 5,5
1025 28,5 6,8
1026 34,2 8,2
* Embora joules e quilojoules sejam as unidades padrão de energia e as utilizadas 
neste texto, algumas vezes os bioquímicos e nutricionistas expressam os valores 
de DG9° em quilocalorias por mol. Consequentemente, foram incluídos valores 
tanto em quilojoules como em quilocalorias nesta tabela e nas Tabelas 13-4 e 
13-6. Para converter quilojoules em quilocalorias, divida o número de quilojoules 
por 4,184.
TABELA 133 Relação entre os valores de K9eq e DG9° e o sentido das 
reações químicas
Quando K9eq é... DG9° é...
Iniciando com 1 M de todos os 
componentes, a reação...
. 1,0 negativo ocorre no sentido direto
1,0 zero está no equilíbrio
, 1,0 positivo ocorre no sentido inverso
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A variação de energia livre real depende das 
concentrações dos reagentes e dos produtos
É preciso ter cuidado ao distinguir entre duas grandezas 
diferentes: a variação de energia livre real, DG, e a varia-
ção de energia livre padrão, DG9°. Cada reação química 
possui uma variação de energia livre padrão característi-
ca, que pode ser positiva, negativa ou nula, dependendo 
da constante de equilíbrio da reação. A variação de ener-
gia livre padrão nos diz em que sentido e até onde uma 
dada reação deve seguir para atingir o equilíbrio quando 
a concentração inicial de cada componente é 1,0 M, 
em pH 7,0, temperatura de 25°C e pressão de 101,3 kPa 
(1 atm). Assim, DG9° é constante, tendo um valor carac-
terístico e imutável para uma dada reação. No entanto, 
a variação da energia livre real, DG, é uma função das 
concentrações dos reagentes e produtos e da tempera-
tura que prevalece durante a reação, e nenhum desses 
parâmetros será necessariamente igual às condições-pa-
drão, como definidas anteriormente. Além disso, o DG de 
qualquer reação que ocorra espontaneamente em direção 
ao seu equilíbrio é sempre negativo, torna-se menos ne-
gativo ao longo da reação, e é zero no ponto de equilíbrio, 
indicando que não pode mais ser realizado trabalho pela 
reação.
DG e DG9° para uma determinada reação aA 1 bB ∆ 
cC 1 dD estão relacionados pela equação
 
(13-4)
na qual os termos em vermelho são aqueles que realmente 
prevalecem no sistema em observação. A concentração dos 
termos nessa equação expressa o efeito comumente cha-
mado de ação das massas, e o termo [C]c[D]d/[A]a[B]b é cha-
mado de razão da ação das massas, Q. Assim, a Equação 
13-4 pode ser expressa como DG 5 DG9° 1 RT ln Q. Como 
exemplo, supõe-se que a reação A 1 B ∆ C 1 D esteja 
TABELA 134 Variações de energia livre padrão de algumas reações químicas
Tipo de reação
DG9°
(kJ/mol) (kcal/mol)
Reações de hidrólise
Anidridos de ácidos
Anidrido acético 1 H2O ¡ 2 acetato
ATP 1 H2O ¡ ADP 1 Pi
ATP 1 H2O ¡ AMP 1 PPi
PPi 1 H2O ¡ 2Pi
UDP-glicose 1 H2O ¡ UMP 1 glicose-1-fosfato
291,1
230,5
245,6
219,2
243,0
221,8
27,3
210,9
24,6
210,3
Ésteres
Acetato de etila 1 H2O ¡ etanol 1 acetato
Glicose-6-fosfato 1 H2O ¡ glicose 1 Pi
219,6
213,8
24,7
23,3
Amidas e peptídeos
Glutamina 1 H2O ¡ glutamato 1 NH
1
4
Glicilgliena 1 H2O ¡ 2 glicina
214,2
29,2
23,4
22,2
Glicosídeos
Maltose 1 H2O ¡ 2 glicose
Lactose 1 H2O ¡ glicose 1 galactose
215,5
215,9
23,7
23,8
Rearranjos
Glicose-1-fosfato ¡ glicose-6-fosfato
Frutose-6-fosfato ¡ glicose-6-fosfato
27,3
21,7
21,7
20,4
Eliminação de água
Malato ¡ fumarato 1 H2O 3,1 0,8
Oxidação com oxigênio molecular
Glicose 1 6O2 ¡ 6CO2 1 6H2O
Palmitato 1 23O2 ¡ 16CO2 1 16H2O
22.840
29.770
2686
22.338
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ocorrendo em condições-padrão de temperatura (25°C) e 
pressão (101,3 kPa), mas que as concentrações de A, B, C 
e D não sejam iguais e nenhum dos componentes esteja 
presente na concentração-padrão de 1,0 M. Para determi-
nar a variação de energia livre real, DG, nessa condição não 
padrão de concentração à medida que a reação ocorre da 
esquerda para a direita, simplesmente aplicam-se as con-
centrações reais de A, B, C e D na Equação 13-4; os valo-
res de R, T e DG9° são os valores-padrão. DG é negativo e 
se aproxima do zero à medida que a reação evolui, já que 
as concentrações reais de A e B diminuem e as concentra-
ções de C e D aumentam. Note que quando a reação está 
no equilíbrio – quando não há mais força que estimule a 
reação em nenhum dos sentidos e DG é zero – a Equação 
13-4 reduz-se a
ou
DG9° 5 2RT ln K9eq
que é a equação que relaciona a variação de energia livre 
padrão e a constante de equilíbrio (Equação 13-3).
O critério para avaliar a espontaneidade de uma reação 
é o valor de DG, e não de DG9°. Uma reação com DG9° po-
sitivo pode ocorrer no sentido direto se o DG for negativo. 
Isto é possível se o termo RT ln ([produtos]/[reagentes]) na 
Equação 13-4 for negativo e possuir valor absoluto maior 
que DG9°. Por exemplo, a remoção imediata dos produtosde uma reação pode manter a relação [produtos]/[reagen-
tes] muito abaixo de 1, de forma que o termo RT ln ([produ-
tos]/[reagentes]) apresenta um grande valor negativo. DG9° 
e DG são expressões da quantidade máxima de energia li-
vre que uma dada reação pode teoricamente liberar – uma 
quantidade de energia que poderia ser utilizável apenas me-
diante a presença de um dispositivo muito eficiente para 
captá-la ou dirigi-la. Já que tal dispositivo não é factível 
(parte da energia sempre é perdida para a entropia durante 
qualquer processo), a quantidade de trabalho realizada pela 
reação a temperatura e pressão constantes é sempre menor 
que a quantidade teoricamente disponível.
Outro ponto importante é que algumas reações termo-
dinamicamente favoráveis (ou seja, reações em que o DG9° 
é grande e negativo) não ocorrem em velocidades mensu-
ráveis. Por exemplo, a combustão da lenha em CO2 e H2O é 
muito favorável termodinamicamente, mas a lenha perma-
nece estável por anos já que a energia de ativação (ver Fi-
guras 6-2 e 6-3) para a reação de combustão é maior do que 
a energia disponível à temperatura ambiente. Se a energia 
de ativação necessária é fornecida (p. ex., por um fósforo 
aceso), a combustão terá início, convertendo a madeira nos 
produtos mais estáveis CO2 e H2O, e liberando energia nas 
formas de calor e luz. O calor liberado por essa reação exo-
térmica fornece a energia de ativação para a combustão das 
regiões vizinhas à lenha; o processo é autopropagável.
Em células vivas, as reações que seriam extremamente 
lentas, caso não fossem catalisadas, prosseguem não pelo 
fornecimento de calor adicional, mas sim pela redução da 
energia de ativação pelo uso de enzimas. Uma enzima for-
nece uma via de reação alternativa com energia de ativação 
menor do que a reação não catalisada, de tal forma que, à 
temperatura ambiente, uma grande fração das moléculas 
de substrato possui energia térmica suficiente para supe-
rar a barreira de ativação, aumentando drasticamente a 
velocidade da reação. A variação de energia livre para 
uma reação é independente da via pela qual a reação 
ocorre; ela depende apenas da natureza e das concentra-
ções dos reagentes iniciais e produtos finais. Portanto, as 
enzimas não podem alterar as constantes de equilíbrio; 
mas o que elas fazem é aumentar a velocidade pela qual a 
reação ocorre no sentido determinado pela termodinâmica 
(ver Seção 6.2).
As variações de energia livre padrão são aditivas
No caso de duas reações químicas sequenciais, A ∆ B 
e B ∆ C, cada reação possui sua própria constante de 
equilíbrio e cada uma possui sua variação de energia livre 
padrão característica, DG91° e DG92°. Como as duas reações 
são sequenciais, B é cancelado, resultando na reação geral 
A ∆ C, que possui sua própria constante de equilíbrio 
e, consequentemente, sua própria variação de energia livre 
padrão, DG9°total. Os valores de DG9° de reações químicas 
sequenciais são aditivos. Para a reação geral A ∆ C, o 
DG9°total é a soma das variações de energia livre padrão indi-
viduais, DG91° e DG92°, das duas reações separadas: DG9°total 5 
DG91° 1 DG92°.
Este princípio da bioenergética explica como uma reação 
termodinamicamente desfavorável (endergônica) pode 
ocorrer no sentido direto, acoplando-a a uma reação alta-
mente exergônica, por meio de um intermediário comum. 
Por exemplo, a síntese de glicose-6-fosfato é o primeiro 
passo na utilização de glicose em muitos organismos:
Glicose 1 Pi ¡ glicose-6-fosfato 1 H2O
 DG9º 5 13,8 kJ/mol
O valor positivo de DG9° indica que, em condições-padrão, a 
reação não tenderá a ocorrer espontaneamente no sentido 
representado. Outra reação celular, a hidrólise de ATP em 
ADP e Pi, é muito exergônica:
ATP 1 H2O S ADP 1 Pi DG9º 5 230,5 kJ/mol
Essas duas reações compartilham os intermediários co-
muns, Pi e H2O, e podem ser expressas como reações se-
quenciais:
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A variação de energia livre padrão global é obtida pelo so-
matório dos valores de DG9° para as reações individuais:
DG9º 5 13,8 kJ/mol 1 (230,5 kJ/mol) 5 2 16,7 kJ/mol
A reação global é exergônica. Neste caso, a energia arma-
zenada no ATP é utilizada para promover a síntese de gli-
cose-6-fosfato, ainda que sua formação a partir de glicose e 
fosfato inorgânico (Pi) seja endergônica. A via de formação 
de glicose-6-fosfato a partir de glicose pela transferência de 
grupo fosforil do ATP é diferente das reações (1) e (2) des-
critas anteriormente, embora o resultado final seja equiva-
lente ao somatório das duas reações. Nos cálculos termodi-
nâmicos, tudo o que importa é o estado do sistema no início 
e no final do processo; o caminho entre os estados inicial e 
final é irrelevante.
Foi mencionado que DG9° é uma forma de expressar a 
constante de equilíbrio para uma reação. Para a reação (1) 
anterior,
Note que a H2O não está incluída nessa expressão, e assu-
me-se que a sua concentração (55,5 M) mantém-se inalte-
rada durante a reação. A constante de equilíbrio para a hi-
drólise de ATP é
Portanto, a constante de equilíbrio para as duas reações 
acopladas é
Este cálculo ilustra um ponto importante sobre as cons-
tantes de equilíbrio: embora os valores de DG9° para duas 
reações cujo somatório resulte em uma terceira sejam adi-
tivos, o K9eq para a reação global é o produto dos valores 
dos K9eq individuais das duas reações. As constantes de 
equilíbrio são multiplicativas. Devido ao acoplamento da 
hidrólise de ATP à síntese de glicose-6-fosfato, o K9eq para 
a formação de glicose-6-fosfato a partir de glicose aumenta 
na ordem de 2 3 105.
Esta estratégia envolvendo intermediários comuns é 
utilizada por todas as células vivas na síntese de interme-
diários metabólicos e de componentes celulares. Obviamen-
te, a estratégia funciona apenas se compostos como o ATP 
estiverem continuamente disponíveis. Nos capítulos se-
guintes, serão consideradas algumas das mais importantes 
vias celulares para a produção de ATP.
RESUMO 13.1 Bioenergética e termodinâmica
 c As células vivas realizam trabalho constantemente. 
Elas necessitam de energia para manter suas estru-
turas altamente organizadas, sintetizar componentes 
celulares, gerar correntes elétricas e muitos outros 
processos.
 c A bioenergética é o estudo quantitativo das relações de 
energia e conversões energéticas em sistemas biológi-
cos. As transformações biológicas de energia obedecem 
às leis da termodinâmica.
 c Todas as reações químicas são influenciadas por duas 
forças: a tendência de atingir o estado de ligação mais 
estável (para o qual a entalpia, H, é uma expressão útil) 
e a tendência de atingir o mais alto grau de desordem, 
expresso pela entropia, S. A força motriz líquida de uma 
reação é o DG, a variação de energia livre, que represen-
ta o efeito líquido desses dois fatores: DG 5 DH 2 TDS.
 c A variação de energia livre padrão aparente, DG9°, é 
uma constante física característica para uma dada rea-
ção e pode ser calculada a partir da constante de equilí-
brio da reação: DG9° 5 2RT ln K9eq.
 c A variação de energia livre real, DG, é uma variável 
que depende de DG9° e das concentrações dos reagen-
tes e dos produtos: DG 5 DG9° 1 RT ln([produtos]/
[reagentes]).
 c Quando DG é elevado e negativo, a reação tende a se-
guir no sentido direto; quando DG é elevado e positivo, a 
reação tende a seguir no sentido inverso; quando DG 5 
zero, o sistema está em equílibrio.
 c A variação de energia livre de uma reação é independen-
te da via pela qual a reação ocorre. As variações de ener-
gia livre são aditivas; a reação química final resultante 
de sucessivas reações que compartilham intermediários 
comuns possui uma variação de energia livre globalque 
é a soma dos valores de DG para as reações individuais.
13.2 Lógica química e reações bioquímicas comuns
As transduções biológicas de energia abordadas neste 
livro são reações químicas. A química celular não abran-
ge todo tipo de reação estudada em um curso típico de 
química orgânica. Quais reações ocorrem em sistemas 
biológicos e quais não é algo determinado por (1) sua re-
levância para um sistema metabólico em particular e (2) 
sua velocidade. As duas considerações são importantes no 
formato das vias metabólicas que serão estudadas ao longo 
deste livro. Uma reação relevante é aquela que faz uso de 
um substrato disponível e o converte em um produto útil. 
No entanto, mesmo uma reação potencialmente relevante 
pode não ocorrer. Algumas transformações químicas são 
muito lentas (possuem energias de ativação muito altas) 
para contribuir com os sistemas vivos, mesmo com a ajuda 
de poderosos catalisadores enzimáticos. As reações que 
ocorrem nas células representam uma “caixa de ferra-
mentas” que a evolução teria utilizado para construir as 
vias metabólicas que contornam as reações “impossíveis”. 
Aprender a reconhecer as reações plausíveis pode ser uma 
ótima ajuda para desenvolver um conhecimento profundo 
em bioquímica.
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Mesmo assim, o número de reações metabólicas que ocor-
rem em uma célula típica pode parecer exagerado. A maior 
parte das células tem a capacidade de realizar milhares de 
reações específicas, catalisadas por enzimas: por exemplo, 
a transformação de um nutriente simples como a glicose em 
aminoácidos, nucleotídeos ou lipídeos; a extração de energia 
a partir da oxidação de combustíveis; ou a polimerização de 
subunidades monoméricas em macromoléculas.
Para estudar essas reações, é essencial alguma organi-
zação. Existem padrões na química da vida; você não preci-
sa estudar todas as reações individuais para compreender a 
lógica molecular da bioquímica. A maior parte das reações 
nas células vivas pertence a uma das cinco categorias ge-
rais: (1) reações que criam ou quebram ligações carbono-
-carbono; (2) rearranjos internos, isomerizações e elimina-
ções; (3) reações com radicais livres; (4) transferência de 
grupos; e (5) oxidação-redução. A seguir, cada uma dessas 
categorias será discutida em maior detalhe. Nos capítulos 
posteriores, serão citados alguns exemplos de cada tipo de 
reação. Note que os cinco tipos de reações não são mutua-
mente excludentes; por exemplo, uma reação de isomeri-
zação pode envolver um intermediário do tipo radical livre.
No entanto, antes de dar continuidade, é preciso revi-
sar dois princípios químicos básicos. Primeiro, uma ligação 
covalente consiste em um par de elétrons compartilhados, 
e a ligação pode ser rompida, em geral, de duas formas (Fi-
gura 13-1). Na clivagem homolítica, cada átomo deixa 
a ligação na forma de um radical, carregando um elétron 
desemparelhado. Na clivagem heterolítica, que é a mais 
comum, um átomo retém os dois elétrons da ligação. As 
espécies mais frequentemente geradas quando as ligações 
C¬C e C¬H são clivadas estão ilustradas na Figura 13-1. 
Carbânions, carbocátions e íons hidreto são altamente ins-
táveis; como será visto, essa instabilidade caracteriza a quí-
mica desses íons.
O segundo princípio básico é que muitas reações bio-
químicas envolvem interações entre nucleófilos (grupos 
funcionais ricos em elétrons e capazes de doá-los) e ele-
trófilos (grupos funcionais deficientes em elétrons e que 
os procuram). Os nucleófilos doam elétrons e combinam-
-se com os eletrófilos. Nucleófilos e eletrófilos comuns em 
biologia estão representados na Figura 13-2. Note que 
um átomo de carbono pode agir tanto como um nucleófilo 
quanto um eletrófilo, dependendo das ligações e dos grupos 
funcionais que o rodeiam.
Reações que criam ou quebram ligações carbono-carbono. A cliva-
gem heterolítica de uma ligação C¬C gera um carbânion e 
um carbocátion (Figura 13-1). Inversamente, a formação 
de uma ligação C¬C envolve a combinação de um carbâ-
C C
Radicais de carbono
C 1 C
C H
PrótonCarbânion
C 1 HClivagem
heterolítica
C H
Radical
de carbono
C 1 HClivagem
homolítica
C H
HidretoCarbocátion
C 1
C C
CarbocátionCarbânion
C 1 C
Átomo de H
H
–
–
–
+
+
+
:
:
:
. .
. .
FIGURA 131 Dois mecanismos para a clivagem de uma ligação C¬C 
ou C¬H. Em uma clivagem homolítica, cada átomo mantém um dos elé-
trons da ligação, resultando na formação de radicais de carbono (carbonos 
contendo elétrons não pareados) ou átomos de hidrogênio não carregados. 
Em uma clivagem heterolítica, um dos átomos retém os dois elétrons da li-
gação. Isso pode resultar na formação de carbânions, carbocátions, prótons 
ou íons hidreto.
Nucleófilos Eletrófilos
NHN ::
S–:
C–:
O–H :
O–: C
O
R:
N
+
C
H
R:
H+
R:
P
R:
Fósforo de um
grupo fosfato
Próton
Sulfidril carregada
negativamente
Carbânion
Grupo amino
descarregado
Imidazol
Íon hidróxido
O–
O–
–O O
Oxigênio negativamente 
carregado (como em um 
grupo hidroxil 
desprotonado ou um 
ácido carboxílico ionizado)
Átomo de carbono de 
um grupo carbonil (o 
oxigênio mais 
eletronegativo do grupo 
carbonil retira elétrons 
do carbono)
Grupo imino protonado 
(ativado devido ao ataque 
nucleofílico ao carbono 
pela protonação da imina)
N
:
FIGURA 132 Nucleófilos e eletrófilos comuns em reações bioquími-
cas. Os mecanismos de reações químicas, que descrevem a formação e a 
quebra de ligações covalentes, estão representados por pontos e setas cur-
vas, uma convenção informalmente conhecida como “trajetória do elétron”. 
Uma ligação covalente consiste em um par de elétrons compartilhado. Os 
elétrons importantes para o mecanismo da reação, que não participam da li-
gação, estão representados por pontos (:). As setas curvas ( ) representam 
o movimento do par de elétrons. Para o movimento de um único elétron 
(como em uma reação com radical livre), é usada uma seta de ponta única 
(tipo anzol) ( ). A maioria dos passos da reação envolve um par de elé-
trons não compartilhado.
 Nelson_6ed_book.indb 512 Nelson_6ed_book.indb 512 03/04/14 07:4303/04/14 07:43
P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 513
nion nucleofílico e um carbocátion eletrofílico. Carbânions 
e carbocátions geralmente são tão instáveis que a sua for-
mação como intermediários de reação pode ser energetica-
mente inacessível, mesmo com catálise enzimática. Para a 
finalidade da bioquímica celular, essas reações impossíveis 
– a não ser que seja fornecido um auxílio químico na forma 
de grupos funcionais contendo átomos eletronegativos (O 
e N) que podem alterar a estrutura eletrônica dos átomos 
de carbonos adjacentes, de modo a estabilizar e facilitar a 
formação dos intermediários carbânion e carbocátion.
Os grupos carbonil são particularmente importantes 
nas transformações químicas das vias metabólicas. O áto-
mo de carbono de um grupo carbonil possui uma carga 
positiva parcial devido à propriedade de retirar elétrons 
do oxigênio carbonílico, sendo portanto um carbono ele-
trofílico (Figura 13-3a). Um grupo carbonil pode então 
facilitar a formação de um carbânion em um carbono adja-
cente por deslocar as cargas negativas do carbânion (Figu-
ra 13-3b). Um grupo imino (ver Figura 1-16) pode ter uma 
função similar (Figura 13-3c). A capacidade de deslocar 
elétrons dos grupos carbonil e imino pode ainda ser poten-
cializada por catálise ácida ou por um íon metálico, como o 
Mg21 (Figura 13-3d).
A importância do grupo carbonil é evidente nas três 
principais classes de reações em que ligações C¬C são for-
madasou quebradas (Figura 13-4): condensações aldóli-
cas, condensação de Claisen e descarboxilações. Em cada 
tipo de reação, um intermediário carbânion é estabilizado 
por um grupo carbonil, e em muitos casos outro grupo car-
bonil fornece o eletrófilo com o qual o carbânion nucleofí-
lico reage.
A condensação aldólica é uma rota comum para a 
formação de ligações C¬C; a reação da aldolase na glicó-
lise, que converte um composto de seis átomos de carbono 
em dois compostos de três átomos de carbono, é o inverso 
de uma condensação aldólica (ver Figura 14-6). Em uma 
condensação de Claisen, o carbânion é estabilizado pelo 
carbonil de um tioéster adjacente; um exemplo é a sínte-
se de citrato no ciclo do ácido cítrico (ver Figura 16-9). A 
descarboxilação também envolve, geralmente, a geração 
de um carbânion estabilizado por um grupo carbonil; um 
exemplo é a reação da acetoacetato-descarboxilase, que 
leva à formação de corpos cetônicos durante o catabolismo 
dos ácidos graxos (ver Figura 17-19). Todas as vias meta-
bólicas estão organizadas em torno da introdução de um 
grupo carbonil em uma localização particular, de modo que 
uma ligação carbono-carbono adjacente possa ser formada 
ou clivada. Em algumas reações, uma imina ou um cofator 
especializado, como piridoxal-fosfato, exerce a função de 
retirar elétrons do grupo carbonil.
O intermediário carbocátion que ocorre em algumas 
reações que formam ou clivam ligações C¬C é gerado pela 
eliminação de um grupo de saída muito bom, como o pi-
rofosfato (ver as reações de transferência de grupos, a se-
guir). Um exemplo é a reação da preniltransferase (Figura 
13-5), uma etapa inicial na via de biossíntese do colesterol.
Rearranjos internos, isomerizações e eliminações. Outro tipo co-
mum de reação celular é um rearranjo intramolecular em 
que a redistribuição de elétrons resulta em alterações de 
muitos tipos diferentes, sem alterar o estado de oxidação 
global da molécula. Por exemplo, grupos diferentes em 
uma molécula podem sofrer oxidação-redução, sem variar 
o estado líquido de oxidação da molécula; grupos conten-
do ligação dupla podem sofrer um rearranjo cis-trans; ou 
as posições das ligações duplas podem ser mudadas. Um 
exemplo de uma isomerização envolvendo oxidação-redu-
ção é a formação de frutose-6-fosfato a partir de glicose-6-
C(a)
O
C C C· C(b)
O O
(c) C CC
NH2
C C C
NH2
·
Me2
(d) C
O
HA
C
O
FIGURA 133 Propriedades químicas do grupo carbonil. (a) O átomo 
de carbono de um grupo carbonil é um eletrófilo devido à capacidade de 
retirar elétrons do átomo de oxigênio eletronegativo, resultando em uma 
estrutura em que o carbono tem carga positiva parcial. (b) No interior de 
uma molécula, o deslocamento dos elétrons para um grupo carbonil facilita 
e estabiliza a formação de um carbânion em um carbono adjacente. (c) As 
iminas atuam como os grupos carbonil, facilitando a retirada dos elétrons. 
(d) Os grupos carbonil não atuam sempre sozinhos; sua capacidade como 
escoadouro de elétrons frequentemente é potencializada pela interação 
com um íon metálico (Me21, como Mg21) ou com um ácido (HA).
1
2R1 C
Condensação aldólica
C
O R2
H
C
R3
R4
O
H1
R1 C C
O R2
H
C
R3
R4
OH
CoA-S C
Condensação de Claisen
C
O H
H
C
R1
S — R2
S — R2H
O
H1
CoA-S C C
O H
H
C
R1
O
R C
Descarboxilação de um b-ceto ácido
C
O H
H
C
O
O2
H1
R C C
O H
H
H CO2
2
FIGURA 134 Algumas reações comuns de formação e quebra de li-
gações C¬C em sistemas biológicos. Tanto para a condensação aldólica 
como para a condensação de Claisen, um carbânion atua como nucleófilo 
e o carbono de um grupo carbonil atua como eletrófilo. O carbânion é es-
tabilizado em cada caso por outro grupo carbonil no carbono adjacente ao 
carbânion. Na reação de descarboxilação, um carbânion é formado no car-
bono sombreado em azul quando o CO2 é liberado. A reação não ocorreria 
em velocidade adequada sem o efeito estabilizador do carbonil adjacente 
ao carbânion. Em qualquer lugar em que um carbânion é mostrado, assume-
-se também a presença de uma ressonância estabilizadora com o carbonil 
adjacente, como representado na Figura 13-3b. Uma imina (Figura 13-3c) ou 
outro grupo removedor de elétrons (incluindo certos cofatores enzimáticos 
como o piridoxal) pode substituir o grupo carbonil na estabilização dos car-
bânions.
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514 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
-fosfato na glicólise (Figura 13-6; esta reação é discutida 
em detalhes no Capítulo 14): C-1 é reduzido (aldeído para 
álcool) e C-2 é oxidado (álcool para cetona). A Figura 13-
6b mostra os detalhes dos movimentos dos elétrons neste 
tipo de isomerização. Um rearranjo cis-trans está ilustrado 
na reação da prolil-cis-trans-isomerase no enovelamento 
de certas proteínas (ver Figura 4-8). Uma simples mudan-
ça de uma ligação C“C ocorre durante o metabolismo do 
ácido oleico, um ácido graxo comum (ver Figura 17-10). 
Alguns exemplos espetaculares de reposicionamento de 
duplas ligações ocorrem na biossíntese do colesterol (ver 
Figura 21-33).
Um exemplo de uma reação de eliminação que não afeta 
o estado de oxidação global é a perda de água por um ál-
cool, resultando na introdução de uma ligação C“C:
R C C
H H
OH
R1
H2O
H
H
C
H2O H
R
C
R1
Reações similares podem resultar de eliminações em aminas.
Reações envolvendo radicais livres. Antigamente considerada 
rara, a clivagem homolítica de ligações covalentes com ge-
ração de radicais livres é, atualmente, encontrada em uma 
ampla gama de processos bioquímicos. Alguns exemplos 
são: isomerizações que fazem uso de adenosilcobalamina 
(vitamina B12) ou S-adenosilmetionina, que são iniciadas 
com um radical 59-desoxiadenosil (ver a reação da metil-
malonil-CoA-mutase no Quadro 17-2); certas reações de 
descarboxilação iniciadas por radicais (Figura 13-7); al-
gumas reações da redutase, como a catalisada pela ribonu-
PPiIsopentenil-
-pirofosfato
P2O
O
O2
PO O C
O
O2
Dimetilalil-pirofosfato
C
CH3
CH3
”≈
≈
C
≈
H2
H
H1
”
C
C
CH3
CH3
” ≈
HP2O
1C
O
O2
PO O C
O
O2
Isopentenil-pirofosfato Carbocátion dimetil-alílico
C
CH3
H2
CH2
≈ ≈
≈
C
≈H2
HH
C
≈≈
Geranil-pirofosfato
P2O
O
O2
PO O
O
O2
FIGURA 135 Os carbocátions na formação da ligação carbono-car-
bono. Em uma das primeiras etapas da biossíntese do colesterol, a enzima 
preniltransferase catalisa a condensação de isopentenil-pirofosfato e dimetil-
-pirofosfato, formando geranil-pirofosfato (ver Figura 21-36). A reação é ini-
ciada pela eliminação do pirofosfato do dimetil-pirofosfato para gerar um 
carbocátion, estabilizado por ressonância com a ligação C“C adjacente.
H 1C 2C
B1
H
O OH
Glicose-6-fosfato
B2
H
C C
H
O OH
C
OH
H
C
H
OH
C
H
OH
C
H
H
O P
O2
O
O2 H 1C 2C
OH O
Frutose-6-fosfato
Intermediário enediol
H
C
OH
H
C
H
OH
C
H
OH
C
H
H
O P
O2
O
O2
(a)
(b)
Fosfoexose-
-isomerase
➊ B1 retira
um próton.
➍ B2 retira um próton,
possibilitando a
formação de uma
ligação C“O.
➋ Isso possibilita a
formação de uma
ligação dupla C“C.
➌ Elétrons do grupo
carbonil formam
uma ligação O¬H
com o íon hidrogênio
doado por B2.
➎ Um par de elétrons é deslocado
da ligação C“C para formar
uma ligação C¬H com o
próton doado por B1.
C
B1
H H
C
H
OO
H
C
OH
H
C
O
B1
B2
B2
:
:
:
FIGURA 136 As reações de isomerização e eliminação. (a) Conversão 
de glicose-6-fosfato a frutose-6-fosfato,reação do metabolismo de açúcares 
catalisada pela fosfoexose-isomerase. (b) Esta reação ocorre por meio de um 
intermediário enediol. Os quadros em cor salmão indicam a via de oxidação 
da esquerda para a direita. B1 e B2 são grupos ionizáveis da enzima; eles são 
capazes de doar e receber prótons (atuando como ácidos ou bases) à medi-
da que a reação ocorre. 
 Nelson_6ed_book.indb 514 Nelson_6ed_book.indb 514 03/04/14 07:4303/04/14 07:43
P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 515
cleotídeo-redutase (ver Figura 22-41); e algumas reações 
de rearranjo, como as catalisadas pela DNA-fotoliase (ver 
Figura 25-26).
Reações de transferência de grupos. A transferência de grupos 
acil, glicosil e fosforil de um nucleófilo para outro é comum 
em células vivas. A transferência de grupo acil geralmente 
envolve a adição de um nucleófilo ao carbono do carbonil 
de um grupo acil para formar um intermediário tetraédrico:
R
C
Intermediário
tetraédrico
O
Y
X
R C
O2
Y
X
R
C
O
Y
X2: :
A reação da quimotripsina é um exemplo de transfe-
rência de grupo acil (ver Figura 6-22). A transferência de 
grupos glicosil envolve a substituição nucleofílica no C-1 
do anel de um açúcar, que é o átomo central de um ace-
tal. Em princípio, a substituição poderia prosseguir por via 
SN1 ou SN2, como descrito na Figura 6-28 para a enzima 
lisozima.
A transferência de grupos fosforil exerce função espe-
cial em vias metabólicas, e essas reações de transferência 
são discutidas em detalhes na Seção 13.3. Um tema geral 
no metabolismo é a ligação de um bom grupo de saída a 
um intermediário metabólico a fim de “ativá-lo” para as 
reações subsequentes. Entre os melhores grupos de saída 
em reações de substituição nucleofílica estão o ortofosfato 
inorgânico (a forma ionizada de H3PO4 em pH neutro, uma 
mistura de H2PO4
2 e HPO4
22, geralmente abreviado como 
Pi) e o pirofosfato inorgânico (P2O7
42, abreviado como PPi); 
os ésteres e os anidridos do ácido fosfórico são efetiva-
mente ativados para reação. A substituição nucleofílica 
torna-se mais favorável pela ligação de um grupo fosforil a 
um grupo de saída pobre, como o hidroxil ¬OH. As subs-
tituições nucleofílicas, nas quais o grupo fosforil (¬PO3
22) 
atua como um grupo de saída, ocorrem em centenas de 
reações metabólicas.
O fósforo pode formar cinco ligações covalentes. A re-
presentação convencional de Pi (Figura 13-8a), com três 
e2
CO2
Coproporfirinogênio III
H
R
R
NH
1
H3C
X
•
2OOC
•
Radical
coproporfirinogenil III
12XH H3C
R
R
NH
2OOC
Protoporfirinogênio IX
H3C
R
R
NH
FIGURA 137 Uma reação de descarboxilação iniciada por radicais 
livres. A biossíntese do heme (ver Figura 22-26) em Escherichia coli inclui 
uma etapa de descarboxilação em que a cadeia lateral propionil do inter-
mediário coproporfirinogênio III é convertida na cadeia lateral vinil do pro-
toporfirinogênio IX. Quando a bactéria está crescendo anaerobiamente, a 
enzima independente de oxigênio coproporfirinogênio III-oxidase, também 
chamada de proteína HemN, promove a descarboxilação pelo mecanismo 
de radical livre mostrado aqui. O receptor do elétron liberado não é conheci-
do. Para simplificar, são mostradas apenas as porções relevantes das grandes 
moléculas de coproporfirinogênio III e protoporfirinogênio; as estruturas 
completas são mostradas na Figura 22-26. Quando E. coli está crescendo na 
presença de oxigênio, esta reação é uma descarboxilação oxidativa, sendo 
catalisada por uma enzima diferente.
O
O
O
32
PO
(b)
O
P
O
O
O
O2
OP
O2 O2
2O
O
O2P2O
O2
O2P
O O2
O2
2O O2PO
(a)
(c)
Adenina Ribose O
O
P O P O2 HO R
O2
P O
O2 O2
O O
Glicose
ATP
Adenina Ribose O
O
P O 2O P OO2 1
O2
P R
O2 2O
OO
ADP Glicose-6-fosfato,
um éster-fosfato
O
O O
P WZ
(d)
OHZ 5 R 
W 5 ADP 
FIGURA 138 Transferência de grupos fosforil: alguns dos participan-
tes. (a) Em uma representação (inadequada) de Pi, três oxigênios estão liga-
dos ao fósforo por ligações simples, e o quarto está ligado por ligação dupla, 
possibilitando as quatro estruturas de ressonância diferentes mostradas aqui. 
(b) As estruturas de ressonância de Pi podem ser representadas mais acurada-
mente mostrando todas as quatro ligações fósforo-oxigênio com caráter de 
ligação dupla parcial; os orbitais híbridos assim representados estão arranja-
dos em um tetraedro com o P na posição central. (c) Quando um nucleófilo Z 
(neste caso, a ¬OH do C-6 da glicose) ataca o ATP, ele desloca ADP (W). Nesta 
reação SN2, um intermediário pentacovalente (d) é formado transitoriamente.
 Nelson_6ed_book.indb 515 Nelson_6ed_book.indb 515 03/04/14 07:4303/04/14 07:43
516 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
ligações P¬O e uma ligação P“O, é conveniente, mas não 
é acurada. No Pi, quatro ligações fósforo-oxigênio equiva-
lentes compartilham parcialmente o caráter de ligação du-
pla, e o ânion tem uma estrutura tetraédrica (Figura 13-
8b). Como o oxigênio é mais eletronegativo que o fósforo, o 
compartilhamento dos elétrons é desigual: o fósforo central 
fica com uma carga positiva parcial e, portanto, atua como 
um eletrófilo. Em um número muito grande de reações me-
tabólicas, um grupo fosforil (¬PO3
22) é transferido do ATP 
para um álcool, formando um éster fosfato (Figura 13-8c), 
ou para um ácido carboxílico, formando um anidrido misto. 
Quando um nucleófilo ataca o átomo de fósforo eletrofíli-
co do ATP, forma-se um intermediário de reação com uma 
estrutura pentacovalente relativamente estável (Figura 13-
8d). Com a partida do grupo de saída (ADP), a transferên-
cia de um grupo fosforil está completa. A grande família de 
enzimas que catalisam a transferência de grupos fosforil, 
com o ATP como doador, é chamada de cinase (do grego, 
kinein, “mover”). A hexocinase, por exemplo, “move” um 
grupo fosforil do ATP para a glicose.
Os grupos fosforil não são os únicos grupos que ativam 
moléculas para reação. Os tioálcoois (tióis), em que o áto-
mo de oxigênio de um álcool é substituído por um átomo de 
enxofre, também são bons grupos de saída. Os tióis ativam 
os ácidos carboxílicos pela formação de tioésteres (ou tiol 
ésteres). Em capítulos posteriores serão discutidas diversas 
reações, inclusive aquelas catalisadas pela acil graxo-sinte-
tase na síntese de lipídeos (ver Figura 21-2), em que a subs-
tituição nucleofílica no carbono do carbonil de um tioéster 
resulta na transferência do grupo acil para outra região.
Reações de oxidação-redução. Os átomos de carbono podem 
existir em cinco estados de oxidação, dependendo dos ele-
mentos com que eles compartilham os elétrons (Figura 
13-9), e as transições entre esses estados de oxidação são 
de importância crucial no metabolismo (as reações de oxi-
dação-redução são o tópico da Seção 13.4). Em muitas oxi-
dações biológicas, um composto perde dois elétrons e dois 
íons hidrogênio (ou seja, dois átomos de hidrogênio); essas 
reações são comumente chamadas de desidrogenações, e 
as enzimas que as catalisam são chamadas de desidrogena-
ses (Figura 13-10). Em algumas oxidações biológicas, mas 
não em todas, um átomo de carbono é covalentemente liga-
do a um átomo de oxigênio. As enzimas que catalisam essas 
oxidações geralmente são chamadas de oxidases ou, se o 
átomo de oxigênio é derivado diretamente de um oxigênio 
molecular (O2), oxigenases.
Cada oxidação deve ser acompanhada por uma re-
dução, em que um receptor de elétrons recebe os elé-
trons removidos na oxidação. As reações de oxidação 
geralmente liberam energia (pense em uma fogueira: os 
compostos na madeira são oxidados por moléculas de 
oxigênio do ar). A maioria das células vivas obtémener-
gia necessária para o trabalho celular pela oxidação de 
combustíveis metabólicos como carboidratos ou gorduras 
(os organismos fotossintéticos também podem captar e 
usar a energia da luz solar). As vias catabólicas (que libe-
ram energia) descritas nos Capítulos 14 a 19 são sequên-
cias de reações oxidativas que resultam na transferência 
de elétrons das moléculas combustíveis para o oxigênio 
por meio de uma série de transportadores de elétrons. A 
alta afinidade do O2 por elétrons torna o processo global 
de transferência de elétrons altamente exergônico, for-
necendo energia que leva à síntese de ATP – o objetivo 
central do catabolismo.
Muitas das reações dessas cinco classes são facilitadas 
por cofatores, na forma de coenzimas e metais (vitamina 
B12, S-adenosilmetionina, folato, nicotinamida e ferro são 
alguns exemplos). Os cofatores ligam-se às enzimas – em 
alguns casos reversivelmente, em outros casos quase irre-
versivelmente – e conferem a elas a capacidade de promo-
ver um tipo particular de reação química (p. 190). A maior 
parte dos cofatores participa em uma estreita faixa de 
reações diretamente relacionadas. Os capítulos seguintes 
apresentam e discutem cada cofator biologicamente im-
portante. Os cofatores fornecem outra forma de organizar 
o estudo dos processos bioquímicos, já que as reações fa-
cilitadas por um determinado cofator costumam ser meca-
nisticamente relacionadas.
CH2 AlcanoCH3
CH2
CH2
Álcool
Aldeído (cetona)
Ácido carboxílico
Dióxido de carbono
CH2OH
O
H(R)
C
CH2
O
OO
OH
C
C
FIGURA 139 Os níveis de oxidação do carbono em biomolécu-
las. Cada composto é formado por oxidação do carbono em vermelho no 
composto mostrado imediatamente acima. O dióxido de carbono é a forma 
de carbono mais altamente oxidado encontrada em sistemas vivos.
CH3
Lactato PiruvatoLactato-
-desidrogenase
CH3CH
OH
C C C
O O
O2
2H1 2e21
2H1 2e21
O
O2
FIGURA 1310 Uma reação de oxidação-redução. Está representada 
aqui a oxidação do lactato a piruvato. Nesta desidrogenação, dois elétrons 
e dois íons hidrogênio (o equivalente a dois átomos de hidrogênio) são re-
movidos do C-2 do lactato, um álcool, formando piruvato, uma cetona. Nas 
células, a reação é catalisada pela lactato-desidrogenase, e os elétrons são 
transferidos para o cofator dinucleotídeo de nicotinamida-adenina (NAD). 
Esta reação é totalmente reversível; o piruvato pode ser reduzido pela trans-
ferência dos elétrons do cofator.
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P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 517
As equações bioquímicas e químicas não são idênticas
Os bioquímicos representam as equações metabólicas de 
forma simplificada, e isso é particularmente evidente para 
as reações envolvendo ATP. Os compostos fosforilados po-
dem existir em vários estados de ionização e, conforme já 
mencionado, as diferentes espécies podem ligar Mg21. Por 
exemplo, em pH 7,0 e 2 mM de Mg21, o ATP existe na forma 
de ATP42, HATP32, H2ATP
22, MgHATP2 e Mg2ATP. Conside-
rando a função biológica do ATP, no entanto, nem sempre 
há interesse em todos esses detalhes e, assim, considera-
-se o ATP como uma entidade constituída pela soma des-
sas espécies e representa-se sua hidrólise como a equação 
bioquímica
ATP 1 H2O ¡ ADP 1 Pi
na qual ATP, ADP e Pi correspondem ao somatório das es-
pécies. A constante de equilíbrio padrão aparente corres-
pondente, K9eq 5 [ADP][Pi]/[ATP], depende do pH e da con-
centração de Mg21 livre. Note que H1 e Mg21 não aparecem 
na equação bioquímica, pois são mantidos constantes. Por-
tanto, uma equação bioquímica não inclui necessariamente 
o equilíbrio de H, Mg ou de cargas, embora ela inclua o equi-
líbrio entre todos os outros elementos envolvidos na reação 
(C, N, O e P na equação acima).
É possível escrever uma equação química que inclui 
o equilíbrio de todos os elementos e cargas. Por exemplo, 
quando o ATP é hidrolisado em valores de pH acima de 
8,5 na ausência de Mg21, a reação química é representada 
por
ATP42 1 H2O S ADP
32 1 HPO4
22 1 H1
A constante de equilíbrio correspondente, K9eq 5 [ADP
32]
[HPO4
22][H1]/[ATP42], depende apenas da temperatura, da 
pressão e da força iônica.
As duas formas de representar uma reação metabólica 
são relevantes em bioquímica. As equações químicas são 
utilizadas quando se quer levar em consideração todos os 
átomos e cargas em uma reação, como quando se estuda 
o mecanismo de uma reação química. As equações bioquí-
micas são utilizadas para determinar em qual sentido uma 
reação ocorrerá espontaneamente, dado um valor de pH e 
[Mg21] específicos, ou para calcular a constante de equilí-
brio da reação.
Ao longo deste livro serão utilizadas equações bioquí-
micas, a não ser quando o foco for o mecanismo químico 
envolvido, sendo utilizados os valores de DG9° e K9eq deter-
minados em pH 7 e 1 mM de Mg21.
RESUMO 13.2 Lógica química e reações bioquímicas comuns
 c Os sistemas vivos fazem uso de um grande número de 
reações químicas que podem ser classificadas em cinco 
tipos gerais.
 c Os grupos carbonil exercem função especial nas reações 
que formam ou clivam ligações C¬C. Os intermediários 
carbânions são comuns e estabilizados por grupos car-
bonil adjacentes ou, menos frequentemente, por grupos 
imino e certos cofatores.
 c A redistribuição dos elétrons pode produzir rearranjos 
internos, isomerizações e eliminações. Essas reações 
incluem oxidação-redução intramolecular, alteração do 
arranjo cis-trans de ligações duplas e transposições de 
ligações duplas.
 c A clivagem homolítica de ligações covalentes com a ge-
ração de radicais livres ocorre em algumas vias, como 
em certas reações de isomerização, descarboxilação, re-
dutase e rearranjos.
 c As reações de transferência de grupos fosforil são um 
tipo especialmente importante de transferência de gru-
pos nas células, necessário para a ativação de moléculas 
para as reações que de outra forma seriam altamente 
desfavoráveis.
 c As reações de oxidação-redução envolvem a perda ou o 
ganho de elétrons: um reagente ganha elétrons e é re-
duzido, enquanto outro perde elétrons e é oxidado. As 
reações de oxidação geralmente liberam energia e são 
importantes no catabolismo.
13.3 Transferência de grupos fosforil e ATP
Uma vez tendo sido apresentados alguns princípios fun-
damentais da variação de energia em sistemas químicos, 
sendo revisadas as classes comuns de reações, agora é 
possível examinar o ciclo de energia nas células e a fun-
ção especial do ATP como a moeda energética que re-
laciona catabolismo e anabolismo (ver Figura 1-29). As 
células heterotróficas obtêm energia livre de forma quí-
mica pelo catabolismo de moléculas de nutrientes, e elas 
usam essa energia para fazer ATP a partir de ADP e Pi. O 
ATP, então, doa parte da sua energia química para pro-
cessos endergônicos como a síntese de intermediários 
metabólicos e de macromoléculas a partir de precursores 
menores, para o transporte de substâncias por meio de 
membranas contra gradientes de concentração, e para o 
movimento mecânico. Essa doação de energia do ATP ge-
ralmente envolve a sua participação covalente na reação, 
com a eventual conversão de ATP em ADP e Pi, ou, em 
algumas reações, em AMP e 2 Pi. Serão discutidas aqui 
as bases químicas para a grande variação de energia livre 
que acompanha a hidrólise de ATP e de outros compos-
tos de fosfato altamente energéticos, e será mostrado que 
a maior parte dos casos de doação de energia por ATP 
envolve a transferência de grupo, e não simplesmente a 
hidrólise de ATP. Para ilustrar a gama de transduções de 
energia em que o ATP fornece a energia, será abordada a 
síntese de macromoléculas ricas em informação, o trans-
porte de solutos através

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