Energia livre e metabolismo

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Bioenergética e Metabolismo
Professor Pontes E. G.
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS - ICE
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO
BIOQUÍMICA PARA IC 622 E IC 383
Bioenergética
• Uma célula viva é um sistema dinâmico; ela
cresce, move, sintetiza macromoléculas
complexas e, seletivamente, direciona
substratos para um ou outro compartimento.
Todas estas atividades necessitam de energia;
assim, a célula deve obter energia do meio onde
está e deve utilizar esta energia com a maior efi
ciência possível. As plantas a obtêm da luz do
sol; animais usam a energia estocada nas
plantas ou em outros animais que consomem.
Energia, Calor e trabalho
• Sistema pode ser:
A vida demanda de Energia
Mesmo em repouso, a maquinaria bioquímica está permanentemente 
extraindo e utilizando energia.
TERMODINÂMICA 
Área da ciência que se dedica ao estudo da ENERGIA e 
seus efeitos
A vida traz desafios, mas obedece as Leis da Termodinâmica
1º Lei da Termodinâmica - a “Energia é conservada”, não pode ser
criada ou destruída, ‘apenas transformada’.
2º Lei da Termodinâmica - um processo será espontâneo se o CAOS
do Universo aumentar.
Sistema +Vizinhança = Universo
A Vida e Ordem
Como a Vida pode acontecer num sistema ordenado, 
considerando a 2º lei da Termodinâmica?
Como criar ordem a partir do caos???
Termodinâmica:
é o conjunto de princípios que regem as transformações de energia.
A energia não pode ser criada nem destruída, a quantidade de 
energia no universo é constante. Pode, somente, mudar a forma 
ou o local em que ela se apresenta.
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Termodinâmica:
é o conjunto de princípios que regem as transformações de energia.
Nos processos espontâneos existe uma tendência a aumentar o 
grau de desordem. O universo sempre tende para a desordem 
crescente: em todos os processos naturais a entropia do 
universo aumenta.
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Qualquer sistema pode conter uma certa 
quantidade de energia, que chamamos E.
ENERGIA
• Os átomos e moléculas do sistema têm
energia cinética de movimento e energia
de vibração e rotação. Além destas, nós
poderíamos incluir toda a energia
preservada nas ligações químicas entre
os átomos e a energia de interação não
covalente entre as moléculas.
Troca de energia no sistema:
Calor: o calor pode ser transferido 
de um sistema para outro.
Trabalho: o sistema pode realizar
trabalho no seu ambiente ou pode
sofrer um trabalho realizado pelo
ambiente.
Tipos de trabalho no sistemas 
biológicos
• Contração muscular
• Movimento de um flagelo
• Transporte intra-celular
ORGANISMOS AUTOTRÓFOS E HETERÓTROFOS
PROCESSOS AERÓBIOS E ANAERÓBIOS
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ESQUEMA GERAL DA 
FOTOSSÍNTESE
• A luz do sol é a fonte original de energia.
No processo de fotossíntese, as plantas
assimilam a luz do sol através de
pigmentos especiais. Açúcares são
sintetizados utilizando essa energia e
passam a ser fonte de energia química
que poderá ser utilizada para formação de
outras moléculas.
FOTOSSÍNTESE
• A queda d’água de uma cachoeira
(energia mecânica) pode acionar um
dínamo (energia elétrica), que por sua vez
pode movimentar um ventilador (energia
mecânica), ou acender uma lâmpada
(energia luminosa).
CATABOLISMO E ANABOLISMO
Anabolismo: 
Via Biossintética
-Utilização de energia na 
forma de Trabalho
-Síntese de biomoléculas-
Multiplicação 
Endergônica (ΔG > 0)
Catabolismo: 
Via degradativa
-Extração de energia 
-Simplificação das 
moléculas a compostos 
comuns
Exergônica (ΔG < 0)
O ATP e o NAPH PRODUZIDOS PELA DEGRADAÇÃO 
DE METABÓLITOS COMPLEXOS SÃO FONTE DE 
ENERGIA PARA REAÇ~EOS BIOSSINTÉTICAS E 
OUTRAS REAÇÕES
CATABOLISMO E ANABOLISMO
VIAS METABÓLICAS INTERDENPENDENTES E COORDENADAS ATRAVÉS DE REAÇÕES QUÍMICAS
VIAS ANFIBÓLICAS
• Conjunto de reações que podem ser tanto Anabólicas como 
Catabólicas.
• Dependem da condição energética da célula
• Biossíntesee degradação são quase sempre distintas
1. Ocorrem por vias diferentes.
2. Envolvem enzimas diferentes numa mesma via.
3. Podem ser compartimentalizadas.
4. Vias irreversíveis
5. Possuem etapas limitantes
• Mitocôndria: ciclo do ácido cítrico, fosforilaçãooxidativa, oxidação de 
ácidos graxos, degradação de aminoácidos
• Citosol:glicólise, via das pentoses-fosfato, biossíntesede ácidos graxos, 
gliconeogênese
• Lisossomo: digestão enzimática
• Núcleo: replicação e transcrição de DNA, processamento do RNA
• Aparelho de Golgi: processamento pós-traducionalde proteínas de 
membranas e proteínas secretoras, formação da membrana plasmática e 
vesículas
• RER: síntese de proteínas ligadas a membranas e proteínas secretoras
• REL: biossíntesede lipídeos de esteróides
• Peroxissomos(glioxissomos): reações de oxidação, catalisadas por 
aminoácido-oxidasese catalase, reações do ciclo do glioxilatonas plantas
As vias metabólicas ocorrem em locais 
específicos das células
A primeira lei da Termodinâmica é
a lei da conservação da energia,
ou seja, energia não se cria, só
se transforma.
UNIDADES DE ENERGIA NOS SISTEMAS BIOLÓGICOS
Joule (J)
Um joule pode ser definido como a energia necessária para levantar uma 
massa de 1 Kg a uma altura de 10,2 cm no nível do mar
caloria (cal)
Uma caloria é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura 
de 1g de água em 1C.
O fator de conversão de calorias para joules é:
1cal = 4,184 J
• A primeira lei da Termodinâmica não 
fornece nenhuma informação sobre o 
sentido de uma reação química ou sobre o 
sentido de transferência de energia.
• Considere o seguinte exemplo: se
colocarmos um cubo de gelo em um copo
d’água à temperatura ambiente, ele
derrete. Por que o inverso não ocorre?
• Se queimarmos um pedaço de papel, ele
será transformado em CO2 mais água.
Mas se misturarmos CO2 com água não
formaremos um pedaço de papel. O tema
comum nestes dois.
Entalpia
• A entalpia, que chamamos H, é o conteúdo de energia
de um sistema e pode ser percebido por sua variação,
ΔH, que aparece em qualquer processo.
• Nas reações exotérmicas, o sistema perde calor; tal 
perda é indicada pelo sinal negativo do valor de ΔH.
• Nas reações endotérmicas, o sistema ganha calor, o 
que é indicado pelo sinal positivo de ΔH.
Processos favoráveis ocorre espontaneamente
em certas direções. Por quê?
"O que me dói
É que quando está tudo acabado
Pronto pronto
Não há nada acabado
Nem pronto pronto
Pintou-me a casa toda
Está tudo limpado
O armário fechado
A roupa arrumada
Tudo belo, perfeito.
E no mesmo instante
Em que aperfeiçoamos a perfeição
Uma lasca diminuta, ténue, microscópica,
Não sei onde,
Está começando
Na pintura da casa
E as traças, não sei onde,
Estão batendo asas
E a poeira, em geral, está caindo invisível,
E a ferrugem está comendo não sei quê
E não há jeito de parar."
Millôr Fernandes, Poeminha de Insatisfação Absoluta
Entropia
• O grau de distribuição
randômica ou grau de
desordem é chamado
entropia. Para
demonstrarmos a
mudança de entropia
em um processo
simples, considere a
facilidade para
desorganizar um quarto
e o esforço para
reorganizá-lo.
• Diremos então que a variação de entropia 
ΔS será a diferença entre a entropia do 
estado final (Sf) e a entropia do estado 
inicial (Si), ou seja,
ΔS = Sf – Si
O aumento de entropia é representado por um
sinal positivo, e a redução de entropia por um
sinal negativo
Por exemplo, quando dissolvemos NaOH em água ocorre aquecimento da
solução em função do calor desprendido, fato que pode ser percebido pelo
tato.
Este calor irradia, ou seja, se perde pelo ambiente. Nas reações
endotérmicas, o sistema ganha calor, o que é indicado pelo sinal positivo
deΔH.
Quando dissolvemos o sal NH4Cl em água, ocorre
resfriamento do sistema pelo calor absorvido na dissolução,
o que também pode ser percebido pelo tato.
Conceito de energia livre
• Energia de Gibbs “G”
• A energia livre é medida pela sua variação ΔG,
e é aquela capaz de realizar trabalho em
processos isotérmicos (processos que ocorrem
à temperatura constante) e isobáricos
(processos que ocorrem à pressão constante).
Ela resulta da diferença entre a energia total
(entalpia, ΔH) e a energia ineficaz (quantidade
de entropia, TΔS).
ΔG = ΔH - TΔS
ΔG = ΔH - TΔS
• A equação apresentada é a que rege a
segunda lei da Termodinâmica. Ou seja,
um processo ocorrerá espontaneamente
quando ΔG for negativo e não será
espontâneo quando ΔG for positivo.
• O QUE É UM KJ?
• É uma unidade de energia. A unidade básica de energia 
é o Joule, nome dado em homenagem a um físico 
famoso. Um quilojoule(KJ) corresponde a 1.000 joules. 
A caloria é uma outra unidade de energia. Uma caloria 
corresponde a 4,185 joules. Veja um resumo destas 
informações na Figura 2.3.
Unidade básica de energia = joule (J)
1quilojoule (KJ) = 1.000 J
1 caloria (cal) = 4,185 J
1 caloria alimentar = 1.000 cal = 1kcal = 4.185 J
Componentes da determinação da Variação de energia livre
Entendendo os Componentes da determinação da Variação de energia livre
Uma reação termodinamicamente
não-favorável pode ser
transformada em uma favorável
através do acoplamento de uma
reação termodinamicamente
favorável.
• Ativação de reagentes
• Conformação ativada da 
proteína
• Gradiente de íons
Constante de Equilibrio Keq
R é a constante geral dos gases = 8.314 J/mol
T é a temperatura em kelvin
R é a constante geral dos gases = 8.314 J/mol
T é a temperatura em kelvin
A B ΔG0 = + 10kJ/mol
C D ΔG0 = - 30kJ/mol
A + C B + D
ΔG0 = (+ 10kJ/mol) + (-30 kJ/mol)
ΔG0 = - 20kJ/mol
Reações acopladas
PCr + ADP Cr + ATP
* 1847 – Justus Liebig
Caracterizou o ácido inosinico na carne (C, H, N) 
* 1925- Fiske & Subbarow
Identificaram o ATP 
* 1927- Emdden e Zimmerman
Descobriram a AMP
* 1927- Eggletons 
Contração muscular se dá pelo fosfagem
* 1929 / 1934 Lohmann
fosfagem não é o verdadeiro substrato para a contração
Histórico
PCr Cr + ATP
ATP + H2O ADP+ Pi + contração muscularMiosina 
PCr + H2O Cr + Pi + contração muscular
Glutamato + NH3 Glutamina + H2O
ATP + H2O ADP + Pi
Glutamato + NH + ATP + H2O Glutamina + H2O ADP + Pi
14 kJ . mol-1
-30,5 kJ . mol-1
-17 kJ . mol-1
Energia liberada na hidrólise do ATP 
Mudança de energia associado a hidrólise de ATP
* Necessidade de ATP em corrida de 2hs --- 60 kg
* Necessidade de ATP em repouso --- 40 kg . dia-1
* Necessidade de ATP durante esforço --- 0,5 kg . min.-1
* Concentração de ATP no organismo ----- 100gr.
Fontes de ATP no músculo
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Tempo do exercício
(4mM)
( 25mM)