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Balanço energético aplicado ao estudo do metabolismo 
Prof. Antonio Carlos Cassola 
 
I. SERES VIVOS 
Os seres vivos são formados por células. Nenhuma característica física ou química é exclusiva dos 
seres vivos. Portanto não se pode defini-los de um ponto de vista essencialista, mas sim pela 
superposição de um conjunto de propriedades que só um ser vivo exibe, embora algumas, 
individualmente, sejam partilhadas com os seres não vivos, chamados de inanimados, porque não 
apresentassem uma "alma". 
Mesmo aceitando-se o enunciado do conjunto, algumas dificuldades exigirão ainda mais 
considerações. Pense-se em um vírus de RNA. Mas não há nenhuma objeção científica 
irrespondível à afirmação, que se erigiu em Teoria, que os seres vivos são formados por células, ou 
de outra forma, que a célula é a menor unidade na qual ocorrem, ininterruptamente, processos que 
no seu conjunto conferem a um dado corpo material animação que se considera vida. Interessa 
aqui a complexidade, na diversidade química e da estrutura. A complexidade é ímpar em um 
Universo cuja composição tende a estruturas mais simples, de maior probabilidade, isto é, de maior 
entropia. 
Um ser vivo não subsiste isoladamente: para construir e manter a sua estrutura e os 
processos que o caracteriza demanda, do universo que o cerca, contínuo suprimento de energia. 
Há atualmente no planeta células procarióticas e eucarióticas. Os seres pluricelulares são formados 
por células deste último tipo. Neste tipo o volume do citoplasma esta subdividido em organelas, 
cada uma delas como a sede de reações químicas específicas. O material genético está isolado no 
núcleo. Os seres pluricelulares apareceram há coisa de 1,5 bilhões de anos. No período Cambriano 
– cerca de 500 milhões de anos – ocorre intensa especiação do projeto pluricelular. 
 
II. ENERGIA E MATÉRIA 
Matéria e energia formam o Universo. Pensa-se aqui em matéria dita bariônica. À Biologia 
contemporânea não afetam as especulações de físicos sobre outras formas de matéria e energia 
escuras. Nesta discussão, o homem e sua atividade cognitiva são parte do mundo, que se lhe revela 
pelos seus sentidos, às vezes auxiliados pelos instrumentos que o homem mesmo criou. Do ponto 
de vista do ser humano que explora o mundo, matéria é o que tem massa, pode ser tocado, como 
nosso corpo. A experiência da energia é dada pelos sentidos. A visão é a sensação dada por 
detecção, pela retina, de energia eletromagnética. A pedra - matéria - que é detectada pelo tato, se 
arremessada a certa velocidade, ao atingir a cabeça que abriga a consciência cognescente, faz-lhe 
estragos, pois tinha energia cinética. Mas a forma de energia indissociável da matéria, sobre a qual 
menos sabe a consciência não treinada em ciência, é a energia térmica, energia cinética dos 
componentes da matéria, que se revela aos sentidos pela sensação de quente ou frio, isto é, como 
 
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temperatura dos corpos. 
Indo-se um pouco mais na análise, se há movimento térmico é porque a matéria é 
descontinua. Um corpo sólido é formado por átomos, ou íons, ou moléculas imersos no vazio. Acima 
de 0 K (zero Kelvin), as partículas materiais - átomos e moléculas - estão em movimento, de 
translação e rotação. Mesmo nas temperaturas em que a molécula é estável, os átomos que a 
formam, restritos por forças eletrostáticas da interação covalente, estão em movimento, 
tensionando as forças que os prendem entre si. Em uma molécula grande, isto é, com muitos 
átomos, como a de uma proteína, os movimentos térmicos dos milhares de átomos determinam que 
a estrutura tridimensional da molécula seja dinâmica, com oscilações entre múltiplas conformações. 
Curiosamente, a ideia de matéria como um descontínuo apareceu entre os gregos, no século V 
a.C., para reaparecer no século XIX. 
 
III. VIDA, MATÉRIA E ENERGIA 
Considere-se uma célula, o menor objeto que se pode considerar vivo. Este objeto material, de 
alguns micrômetros (1 μm = 10-6 m), pode ser observado em microscópios que operam com luz 
visível (microscópios ópticos). A célula é extraordinariamente complexa, pela composição química 
e pelas estruturas. No presente, qualquer célula se origina de outra célula. As células filhas, 
originárias da mitose de célula precursora, ou mãe, herdam dela o código genético (DNA) e parte 
do seu citoplasma, com as organelas características. É o suficiente para que a célula cresça e 
realize as funções características do fenótipo a que pertence. Os processos - reações químicas, 
que no conjunto constituem o metabolismo - demandam continuamente energia. Sem o suprimento 
de energia, os processos cessam, as estruturas complexas que a formavam decaem. 
Com algumas exceções, a energia para os seres vivos vem de processos de fusão nuclear 
que ocorrem na estrela mais próxima - o Sol - e são transmitidas até a Terra por radiação 
eletromagnética. Fundamental na evolução da vida no planeta, a evolução bioquímica capacitou 
algumas células para a fotossíntese. Moléculas orgânicas, no processo, podem absorver energia 
dos fótons de comprimento de onda na faixa visível do espectro - pacotes quânticos de radiação 
eletromagnética - e transferir parte desta energia para as ligações covalentes dos compostos 
orgânicos que sintetizam. Estas ligações, por hidrólise no processo de oxidação, liberam a energia 
armazenada. Os seres vivos que, por terem clorofila, são capazes de fotossíntese (algas, plantas) 
estão na base do que pode ser perfeitamente descrito como cadeia alimentar. Os demais seres 
vivos incorporam esses compostos orgânicos na alimentação; oxidam-nos, liberam a energia das 
ligações químicas e sustentam os processos característicos dos seres vivos. 
Considere-se, por exemplo, o etanol produzido na fermentação de açúcares, produzidos, por 
sua vez, na fotossíntese. Pode-se atear fogo a um volume do composto. Na oxidação, as ligações 
covalentes do composto são clivadas, originando moléculas menores (CO2 e H2O), e a energia das 
ligações covalentes é perdida na forma de calor, isto é, transferida ao ar ou ao reservatório, 
 
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aumentando a energia cinética (temperatura) das partículas constituintes. O etanol mesmo, porém, 
pode passar pela oxidação no motor do automóvel, ou em um organismo vivo. Parte da energia é 
inexoravelmente perdida na forma de calor (entropia), mas nas condições da combustão controlada 
pode ser transformada em trabalho (energia mecânica do automóvel) ou em sínteses características 
dos sistemas biológicos. 
Neste ponto do desenvolvimento da análise geral dos processos vitais, pode-se concluir que 
os seres vivos se caracterizam por uma estrutura (forma) complexa, mas não só. Dada a estrutura 
e a composição, as reações químicas ocorrem em ritmos regulados, permanentemente. Estas, 
dependentes de energia, constroem, mantêm a forma e estabelecem os processos característicos 
dos seres vivos. 
Vias metabólicas são reações químicas que ocorrem em sequência. As reações são 
interconectadas em série, de forma que o produto de uma reação é substrato para a seguinte. A 
sequência completa das reações dá-se em direção energeticamente possível. A velocidade de cada 
reação individual está ajustada por enzimas, E1 a E3, conforme ilustrado no esquema abaixo, que 
são proteínas geneticamente codificadas: 
 
 E1 E2 E3 
A → B → C → D 
 
O esquema é o mais simples. Em um passo podem estar envolvidos outros reagentes, e a 
via da reação pode conter bifurcações. As enzimas fazem a catálise da reação, isto é, modificam a 
velocidade das reações, mas não a direção em que ocorrem. Esta está determinada pela variação 
da energia livre associada à transformação do reagente em produto. 
 
IV. REAÇÕESQUÍMICAS: ASPECTOS GERAIS 
Energia em reações químicas: Energia livre (∆G). 
 
Considere uma reação química simples: 
 
A → B 
 
A e B são as concentrações dos reagentes. Termodinamicamente atribui-se a cada uma das 
espécies uma quantidade de energia livre, que depende da energia armazenada na molécula e da 
quantidade de moléculas em dado volume, isto é, da concentração dela. Se a energia livre de A for 
maior que a de B, a conversão de A para B implicará na redução de energia livre do sistema AB, 
que se perde na forma de calor, isto é, aumento da entropia. 
Supondo-se que a reação seja reversível, aumentando-se a concentração de A, aumenta-
 
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se o número de moléculas de A convertendo-se a B. Na conversão, o ∆G de A para B torna-se mais 
negativo. A questão agora é determinar quanto de diferença na concentração é necessário para 
compensar o decréscimo na energia de ligação química, que se perde na forma de calor (aumento 
de entropia). Na expressão da energia livre entram dois termos, um que depende da diferença 
intrínseca das moléculas - a energia livre padrão, ∆Gº - e outro que depende das diferenças de 
concentração, RT lnA/B. 
Portanto, em reações químicas, a variação da energia livre total é dada por: 
 
ΔG=ΔG0+ RT ln (A/B) 
 
 Em síntese, reações se dão em direção na qual a variação da energia livre total é negativa, 
com produção de calor, isto é, aumento de entropia. Se reações ocorrerem em sequência, os ∆G's 
são aditivos. Considere: 
 
A → B ∆G= -10 kJ/mol 
B → C ∆G = 5kJ/mol 
 
∆GTotal = -5kJ/mol. 
 
A reação ocorre na direção de A para C espontaneamente. 
 Considere a reação reversível, já discutida: 
 
A → B 
 
Se houver, por qualquer razão, aumento na concentração de A, a reação de A para B 
resultante ocorre, pois dá-se no sentido da queda na energia livre do sistema (∆G<0). Na medida 
em que a concentração de A decresce e a de B cresce, o ∆G tende a zero, e a reação terá atingido 
o equilíbrio. 
Considere agora a reação espontânea, que ocorre como já se discutiu porque ΔG<0 na 
transformação de X para Y (X → Y): 
 
 
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Figura 01: Perfil de energia em uma reação química 
 
 
 A questão é a velocidade com que a reação se dá . No esquema acima tem-se o perfil de 
energia. Vê-se que, apenas algumas moléculas, com energia cinética (térmica) acima de um dado 
valor, ultrapassam a barreira - denominada energia de ativação - convertendo-se em Y. Quanto 
maior a altura da barreira, menor o número das moléculas que aleatoriamente têm energia para a 
conversão. A reação, portanto, ocorre sempre de X para Y, mas a velocidade da conversão depende 
da altura da barreira. A catálise de uma reação, por um agente químico – enzimas no sistema 
biológico – consiste no aumento da velocidade da reação original pelo rebaixamento na barreira, 
isto é, na energia de ativação. As enzimas são centrais no metabolismo de uma célula, não por 
tornarem possível reações termodinamicamente proibidas, mas sim por aumentarem a velocidade 
das reações que espontaneamente podem ocorrer. As concentrações destas enzimas e modulação 
da atividade catalítica delas são centrais nos processos bioquímicos da vida. 
Uma consideração energética adicional, que é central nos processos bioquímicos, considera duas 
ou mais reações em cadeia. O esquema mais simples está abaixo: 
 
X → Y ΔG0 = 5kJ/mol 
Y → Z ΔG0 = -10kJ/mol 
 
 
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 A primeira reação (X para Y), isolada, não ocorreria. Acoplada à segunda, ocorrerá e X se 
transforma em Z, pois, no final, a variação de energia livre é negativa. 
 
 
V. REAÇÕES BIOQUÍMICAS 
As sequências de reações do metabolismo ocorrem em duas direções distintas, a catabólica e a 
anabólica (Figura 2). 
 
 
Figura 02: Metabolismo: catabolismo e anabolismo 
 
Nas sequências catabólicas, as moléculas orgânicas, obtidas como alimentos, são 
quebradas em moléculas menores que servirão para as sínteses na célula, ou como fonte da 
energia livre necessária para a síntese das estruturas e para os processos característicos das 
células que demandam energia como, por exemplo, o movimento. 
Nos processos anabólicos, moléculas orgânicas pequenas são transformadas, em 
processos que dispõem de energia química, nas macromoléculas características da célula. 
Macromoléculas mesmas das células passam por processos catabólicos e as pequenas moléculas 
que delas derivam são oferecidas às vias de síntese. O complexo conjunto destas reações é que 
constitui o metabolismo da célula. Neste curso as vias metabólicas associadas à obtenção de 
energia, liberação de energia química e armazenamento de moléculas que proverão a energia nos 
períodos interprandiais serão investigados. 
Abaixo, seguem alguns exemplos de reações bioquímicas mais comuns, catalisadas por 
enzimas: 
 
Hidrólise: 
 
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COOC' + H2O → COO- + HOC' (hidrólise de uma ligação éster por uma esterase) 
CONHC' + H2O → COO- + H2NC' (hidrólise de uma ligação peptídica por uma protease) 
COPO32- + H2O → COH + HPO42- (hidrólise de ligação fosfoéster por uma fosfatase) 
 
 
Desidratação: 
 
COO- + HOC' → COOC' + H2O 
 
 
Fosforilação: 
 
COH + ATP4- → COPO32- + ADP3- (fosforilação de um álcool por uma quinase) 
 
 
Oxidação/redução: enzimas chamadas de desidrogenases ou oxidases/redutases; as reações 
abaixo são apresentadas no sentido de oxidação, o sentido inverso corresponderia à redução. 
 
C – CH2 – CH2 – C + NAD(P)+ → C – CH = CH – C + NAD(P)H + H+ 
C – CH = CH – C + NAD(P)+ + 2 H2O → 2 C – H2C – OH + NAD(P)H + H+ 
C – H2C – OH + NAD(P)+ → C – COH + NAD(P)H + H+ 
C – COH + NAD(P)+ → C – COOH + NAD(P)H + H+ 
 
Enzimas e o acoplamento de reações, em cadeias, são centrais nos processos químicos 
associados à vida. As enzimas, nos sistemas biológicos, são proteínas e, portanto, geneticamente 
codificadas. No caso de reações reversíveis, as enzimas específicas catalisam a reação nos dois 
sentidos, sem alterar as concentrações de equilíbrio. Um conceito central é que as enzimas 
aceleram as reações, mas não modificam a termodinâmica da reação, isto é, reações proibidas pela 
termodinâmica não podem ser catalisadas. Enzimas apenas aceleram as reações. 
Nos processos metabólicos das células, a energia necessária deriva da oxidação de moléculas 
obtidas na cadeia alimentar que, em última análise, foram produzidas pela fotossíntese. Nas células 
eucarióticas a organela principal de oxidação de compostos orgânicos é a mitocôndria. Parte da 
energia liberada na quebra das ligações covalentes é inevitavelmente perdida como calor (entropia). 
Parte é armazenada na forma de ligações covalentes em pequenas moléculas carregadoras, para 
utilização nos processos celulares que demandam energia. O ATP - trifosfato de adenosina - é um 
dos carregadores mais abundantes. A energia está armazenada nas ligações covalentes dos 
 
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fosfatos. Estes grupamentos químicos são facilmente trocáveis com outras moléculas. Outros 
carregadores são a nicotinamida adenina dinucleotídio (NAD+/NADH) e a nicotinamida adenina 
dinucleotídio fosfato (NADP+/NADPH). Estes compostos participam de reações de óxido/redução e 
neles a energia extra está nos elétrons (e-) e H+ de "alta energia". 
Os vários processos bioquímicos, aos quais sinteticamente se aludiu acima, constituem a 
base para o metabolismo energético nas células vivas. O cenário geral é o seguinte: a energia 
necessária para os processos biológicos - síntese de macromoléculas, realização de trabalho,regulação de temperatura - deriva das ligações covalentes dos compostos orgânicos coletados no 
meio ambiente, que outros organismos, os capazes de fotossíntese, produziram. O processo de 
coleta é o comportamento alimentar. Em um organismo humano, a fonte imediata de energia provém 
da glicose. Daí a importância da regulação da glicemia no balanço entre o consumo, pelo 
metabolismo das células, e a ingestão. Como o processo alimentar dá-se por ingestões 
intermitentes, o desenvolvimento da capacidade de estocagem da fonte imediata de energia para 
as células foi essencial na evolução. Poder-se-ia estocar glicose, aumentando a concentração dela 
no plasma, o que seria inconveniente do ponto de vista fisiológico. Provam-no o diabetes, com 
modificação da osmolaridade do plasma, glicosilação etc. Fisiologicamente os monossacarídeos 
são armazenados como macromoléculas, glicogênio em animais e amido em plantas. 
No curso da evolução a capacidade de estocar moléculas orgânicas, fontes de energia, foi 
ampliada com a invenção de processos de síntese de ácidos graxos capazes de serem 
armazenados pelas células que compõem o tecido adiposo branco. Esse fato foi conveniente para 
a evolução animal em tempos de escassez de nutrientes e que constitui uma má adaptação em 
tempos de abundância, com a elevada ocorrência de obesidade e o aumento de incidência das 
doenças que dela decorrem no presente. 
No próximo módulo, vamos estudar como o organismo humano obtém essas fontes de 
energia química através da alimentação. 
 
 
QUESTÃO PARA REFLEXÃO: 
Considere os planetas rochosos do sistema solar. Quanto à possibilidade de abrigar vida na 
forma celular, Marte é o que se destaca pelas temperaturas compatíveis com a estabilidade de 
compostos orgânicos e pela existência de água. Se uma sonda robótica fosse construída e enviada 
ao planeta para detectar seres vivos, com que capacidades analíticas químicas e físicas ela deveria 
ser equipada? Cite 5.