1.Lógica da vida

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A LÓGICA MOLECULAR DA VIDA – BIONERGÉTICA 
Raúl René Valle, PhD 
QUE DISTINGUE ORGANISMOS VIVOS DE OBJETOS INANIMADOS? 
 O grau de complexidade química e organização 
 Organismos vivos extraem, transformam e usam energia do ambiente, ge-
ralmente na forma de nutrientes químicos ou irradiação solar. 
 Têm capacidade de se autorreplicar e auto-organizar, uma propriedade 
que é a quintessência de estar vivo. 
BIOQUÍMICA 
Bioquímica examina os processos pelos quais a energia é extraída, canalizada 
e consumida – bioenergética. Descreve, em termos moleculares, a estrutura, 
mecanismos e processos químicos compartilhados por todos os organismos e 
proporciona princípios organizadores comuns a vida em suas diversas for-
mas, princípios que chamaremos coletivamente a lógica molecular da vida. 
PRINCÍPIOS DA LÓGICA MOLECULAR DA VIDA 
A UNIDADE QUÍMICA DOS ORGANISMOS VIVOS 
 Todos os organismos formam moléculas com as mesmas classes de subu-
nidades monoméricas: 20 aminoácidos, 8 nucleotídeos; 
o A maioria dos monômeros tem mais de uma função. 
 A estrutura de uma macromolécula determina funções biológicas especifi-
cas; 
 Cada indivíduo é definido por um determinado conjunto de macromolé-
culas. 
PRODUÇÃO E CONSUMO DE ENERGIA NO METABOLISMO 
 Organismos vivos criam e mantêm suas complexas e ordenadas estruturas 
utilizando energia extraída de combustíveis ou da luz solar; 
 Células vivas são maquinarias químicas que funcionam a temperatura 
constante; 
 As necessidades energéticas da maioria dos organismos são supridas, dire-
ta ou indiretamente, pela energia solar. 4H ―――→ 4He; fotossíntese. 
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 O fluxo de elétrons em reações de óxido-redução governa a transdução de 
energia em células vivas. (Oxidação= perde elétrons, redução= ganha elé-
trons). 
 Organismos vivos são interdependentes, intercambiando energia e matéria 
via o ambiente. 
 Bioenergética: transformações e trocas de energia das quais TODOS os 
organismos vivos dependem. É o estudo quantitativo das transduções ou 
transferências energéticas que ocorrem em células vivas e a natureza e fun-
ções dos processos químicos que ocorrem nessas transduções. 
o Sistema: tudo dentro de um espaço definido. Conjunto cujos elementos 
mantêm entre si relações definidas. 
o Universo: o sistema e seu arredor. 
o Sistema fechado: se não há troca de matéria nem de energia com o re-
dor. 
o Sistema isolado: se o sistema troca energia, porém não troca matéria. 
o Sistema aberto: se há troca de energia e matéria com o seu arredor, um 
organismo vivo. 
 Primeira lei da termodinâmica: Principio da conservação da energia. Em 
qualquer mudança física ou química, a energia total do universo se man-
tém constante. A energia pode mudar de forma ou pode ser transportada 
de uma região para outra, porém ela não pode ser criada nem destruída. 
 Segunda lei da termodinâmica (Lei da Entropia, S): O universo sempre 
tende a um aumento de desordem. Em todos os processos naturais a entro-
pia do universo aumenta. Nenhum processo que implique numa transfor-
mação energética ocorrerá espontaneamente, a menos que haja uma de-
gradação de energia de uma forma concentrada para uma forma mais 
dispersa (ou desorganizada). Assim sendo, nenhuma transformação de 
energia é 100% eficiente. 
 Os organismos vivos possuem uma característica termodinâmica essen-
cial: eles conseguem criar e manter um alto grau de ordem interna, ou 
uma condição de baixa entropia, que é obtido através de processos bio-
lógicos contínuos e eficientes de dissipação energética. 
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Luz ------------------ Alimento 
Alimento ----------- Calor 
 
Ordem -------------- Biomassa 
Desordem ---------- Calor 
 A respiração expulsa a desordem obedecendo, entretanto as limitações 
termodinâmicas. A razão R/B (razão entre manutenção da estrutura e a 
respiração) foi cunhada por Schrödinger como sendo a razão de ordem 
termodinâmica ou taxa de reposição ecológica. 
 Energia livre de Gibbs: expressa a quantidade de energia disponível ca-
paz de fazer trabalho durante uma reação a temperatura e a pressão 
constantes; 
 Equilíbrio: a taxa de formação de produto é exatamente igual à taxa na 
qual o produto é convertido em substrato= equilibro dinâmico; 
 Mudança de energia livre, ΔG: mudança de energia quando o sistema vai 
do seu estado inicial ao equilíbrio sem mudança de temperatura ou pres-
são; 
 Reações exergônicas: reações que ocorrem espontaneamente (os produtos 
tem menor energia livre que os substratos) na qual há liberação de ener-
gia livre que pode ser utilizada para a realização de trabalho. ΔG é nega-
tivo; 
 Reações endergônicas: requerem inputs de energia, existe ganho de ener-
gia livre. O valor de ΔG é positivo; 
 Entalpia, H: expressa o conteúdo de calor do sistema em estudo. Reflete o 
número e classe de ligações nos substratos e produtos; 
 Quando a reação química libera calor= exotérmica. O conteúdo de ca-
lor dos produtos é menor que o dos substratos; ΔH é negativo. 
 Quando a reação química obtém calor= endotérmica. O conteúdo de ca-
lor dos substratos é menor que o dos produtos; ΔH é positivo. 
 Entropia, S: expressa a desordem ou a aleatoriedade no sistema. ΔS é posi-
tivo quando a entropia aumenta e negativo quando diminui. 
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 Quando os produtos da reação são menos complexos e mais desordena-
dos que os substratos a reação procede com ganho de entropia. 
 Quando os produtos da reação são mais complexos e menos desordena-
dos que os substratos a reação procede com perda de entropia. 
 As unidades de ΔH e ΔG são J/mol ou calorias/mol (1 cal= 4.184 J). 
 As unidades de ΔS são J/mol K. 
 ΔG= ΔH – T ΔS. 
A MUDANÇA DE ENERGIA LIVRE PADRÃO É DIRETAMENTE RE-
LACIONADA À CONSTANTE DE EQUILIBRIO 
 A concentração de substratos e produtos em equilíbrio define a constante 
de equilíbrio Keq; aA + bB ← → cC + dD; Keq = [C]
c
 [D]
d
 / [A]
a
 [B]
b
 
 Quando um sistema não está em equilíbrio, a tendência para atingi-lo re-
presenta uma força motora, cuja magnitude pode ser expressa como a 
mudança de energia livre da reação, ΔG. Sob condições normais de pres-
são (1 atmosfera ou 101.3 kP), concentração de 1 M e 298
o
K (25
o
C) a força 
motora que leva o sistema ao equilíbrio é definida como mudança de ener-
gia livre padrão, ΔG
o
. 
 Bioquímicos definem este parâmetro com ΔG´o quando: 
 [H
+
] = 10
-7
 
 [H2O]= 55,5 M 
 [Mg]= 1 mM 
 ΔG´o = - RT ln K´eq. ΔG´
o
 é a diferença entre o conteúdo de energia livre 
dos produtos e o conteúdo de energia livre dos substratos sob condições 
normais ou padrão. 
 Se o valor da K´eq > 1; ΔG´
o
 é negativa, portanto o produto contém me-
nos energia livre que os substratos. A reação procede espontaneamente; 
 Se o valor da K´eq < 1; ΔG´
o
 é positiva, a reação tende a ir na direção 
contraria, significando que os produtos da reação tem mais energia li-
vre que os substratos; 
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 ΔG= ΔG´o + RT ln [C] [D] / [A] [B]. O critério de espontaneidade de uma 
reação é dado pelo ΔG e não ΔG´
o
. Uma reação com ΔG´
o
 positivo pode 
continuar se o ΔG é negativo. 
 ΔG´o e ΔG são expressões da quantidade teórica máxima de energia livre 
que uma reação pode fornecer – a quantidade de energia fornecida se um 
aparelho 100% eficiente estivesse disponível para utilizá-la. Contudo, Não 
existe tal aparelho. 
 Cada reação química tem uma mudança de energia livre padrão ΔG´o 
característica que pode ser +, – ou 0, dependendo da Keq. 
 ΔG´o diz em que direção e por quanto tempo uma dada reação deverá 
proceder para alcançar o equilíbrio quando a concentração inicial de 
cada componente é 1,0 M, pH= 7, temperatura= 25
o
C, pressão= 1 atm 
(101,3 kPa),[H2O]= 55,5 M e [Mg]= 1 mM. Portanto, ΔG´
o
 é uma cons-
tante: tem um valor característico para uma dada reação. 
 A mudança de energia livre ΔG é uma função da [substratos] e [produ-
tos] e da temperatura prevalecente durante a reação, que não necessa-
riamente é igual às condições padrão. 
 O valor de ΔG de qualquer reação que procede espontaneamente ao 
equilíbrio é sempre negativo, fica menos negativo no transcurso da rea-
ção e é zero no ponto de equilíbrio, indicando que não pode fazer mais 
trabalho. 
 O valor da ΔG´o de reações em seqüência é aditivo. 
 Reações celulares endergônicas são realizadas pelo seu acoplamento a rea-
ções exergônicas ou processos fotoquímicos através de intermediários co-
muns. 
Glucose + Pi ―――→ glucose-6-fosfato ΔG´o= 13,8 kJ/mol. 
ATP + H2O ―――→ ADP + Pi ΔG´
o
= –30,5 kJ/mol. 
Glucose + ATP ――→ glucose-6-fosfato + ADP ΔG´o= –16,7 kJ/mol. 
 ATP é o transportador universal de energia metabólica, ligando rotas ca-
tabólicas e anabólicas. 
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o Enzimas: catalisadores biológicos que aumentam a taxa de reações es-
pecíficas sem serem consumidas ou transformadas no processo; 
o Energia de ativação: energia requerida para diminuir a barreira ener-
gética entre substrato e produto; 
o Catabolismo: reações degradativas com liberação de energia livre; 
o Anabolismo: reações de formação de produtos que requerem inputs de 
energia; 
o Metabolismo: catabolismo + anabolismo. 
 Células vivas são maquinarias químicas autoreguladas, continuamente se 
ajustando para um máximo de economia. 
o Retro-inibição: produtos regulam a produção e utilização de cada in-
termediário metabólico. 
o Células vivas regulam a sua produção de enzimas. 
TRANSFERÊNCIA DE INFORMAÇÃO BIOLÓGICA 
 A informação genética é codificada em seqüências lineares de quatro clas-
ses de subunidades de DNA. 
o Desoxiribonucleotídeos: A= deoxiadenilato, C= deoxicitidilato, G= deo-
xiguanilato, T=deoxitimidilato. A:T, C:G; 
o Mutação gênica: erros não consertados na seqüência de nucleotídeos. 
Geralmente são letais. Ocasionalmente conferem adaptabilidade ao 
ambiente; 
o Evolução. Mutação + ambiente =adaptação ao novo nicho ecológico. 
 A molécula de DNA dupla hélice contém um modelo interno para sua 
própria replicação e reparo. 
 A sequência linear de aminoácidos das proteínas leva à formação de uma 
estrutura tridimensional única (conformação nativa). 
 Macromoléculas individuais com afinidades específicas por outras ma-
cromoléculas (proteína - proteína, proteína - ácidos nucléicos, proteína - 
lipídeos) se ligam em complexos supramoleculares (cromossomos, ribos-
somos, membranas). 
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 Estruturas biológicas tridimensionais combinam as propriedades de flexi-
bilidade e estabilidade. 
o Geralmente, as forças que proporcionam estabilidade e especificidade à 
estrutura tridimensional das macro e supramoléculas são interações 
não covalentes (pontes de hidrogênio, ligações iônicas, ligações de van 
der Waals, interações hidrofóbicas). 
AS RAIZES FÍSICAS DO MUNDO BIOQUÍMICO 
 Toda célula viva é um sistema de moléculas a temperatura constante que 
se autocontém, autoconstrói, autoajusta, autoperpetua e extrai energia li-
vre e matérias do ambiente que a rodeia. 
 A célula utiliza esta energia para se manter num estado de equilíbrio di-
nâmico e em constante desequilíbrio com o ambiente que a rodeia. 
 As inumeráveis transformações químicas dentro da célula são organizadas 
em um sistema de rotas metabólicas, promovidas a cada passo por catali-
sadores específicos, chamados de enzimas, produzidas pela própria célula. 
Uma grande economia de partes e processos é alcançada pela regulação de 
enzimas chave. 
 A autoreplicação, através das gerações, é assegurada pelo autoreparo do 
sistema codificado de informação linear. A informação genética, codifica-
da em seqüências de nucleotídeos no DNA e RNA, especifica a seqüência 
de aminoácidos em cada proteína. Este ordenamento determina, em últi-
ma instância, a estrutura tridimensional e a sua função. 
 Muitas interações fracas (não covalentes), atuando de forma cooperativa, 
estabilizam a estrutura tridimensional de macromoléculas e complexos 
supramoleculares, contudo, proporcionando suficiente flexibilidade para ações 
biológicas.