Bioquímica - Resumo - Conceitos Básicos do Metabolismo

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Conceitos Básicos do Metabolismo
Não há uma definição de vida! Mas, os organismos vivos têm uma estrutura complexa e finamente organizada que depende de matéria e energia. Nunca estão em equilíbrio com o meio.
A manutenção da vida requer a realização de trabalho, o que requer energia;
Fonte de energia: meio ambiente - nutrientes orgânicos ou de energia luminosa.
As transformações biológicas de energia obedecem às leis da termodinâmica.
Princípios da Lógica Molecular da Vida:
Os organismos vivos são constituídos pelo mesmo tipo de subunidades monoméricas;
Há uma simplicidade básica na estrutura das macromoléculas biológicas;
A identidade de cada espécie é preservada pela posse de conjuntos distintos de ácidos nucléicos e proteínas;
As biomoléculas possuem funções específicas nas células;
Termodinâmica: estuda as transformações das diferentes formas de energia.
1ª Lei (Conservação da Energia)
“Em qualquer transformação física ou química, a quantidade total de energia no universo permanece constante.” (Energia não pode ser criada ou destruída, mas pode mudar de forma).
2ª Lei (Aumento da desordem do universo)
“Em todos os processos naturais (espontâneos), a entropia do universo aumenta”. (ou seja, o universo tende a aumento constante da desordem, em função da ocorrência de processos espontâneos).
Diferentes formas de energia podem ser interconvertidas e são quantitativamente relacionadas (1 cal de energia calorífica é, teoricamente, equivalente a 4,185 x 107 Ergs de energia mecânica);
Quando um tipo de energia é convertido em outro, sempre ocorre uma perda de energia.
Universo: ambiente em torno do sistema (vizinhança).
Sistemas: onde ocorrem os processos termodinâmicos.
Sistemas fechados: troca energia com o meio, mas não troca matéria;
Sistemas isolados: não há troca com o meio ambiente;
Sistemas abertos: troca energia e matéria com o meio ambiente (sistemas biológicos).
Estado estacionário: reação ocorre num único sentido 
Estado de equilíbrio: reação ocorre em ambos os sentidos 
Sistema reagente é constituído pela matéria que está sofrendo um processo físico ou químico particular (um organismo, uma célula, dois compostos reagentes, etc.).
A energia de um sistema é uma função de estado, pois depende apenas das propriedades ou do estado em que se encontra, não de como atingiu tal estado.
Definições Importantes:
Energia livre de Gibbs (G): expressa a quantidade de energia capaz de realizar trabalho durante uma reação à T e P constantes. Fundamental nos processos biológicos;
Reações exergônicas: ocorrem com liberação de energia livre (ou seja, o sistema libera energia), então a variação de energia livre (ΔG) tem sinal negativo (espontânea);
Reações endergônicas: ocorrem com ganho de energia livre (ou seja, o sistema ganha energia), então a variação de energia livre (ΔG) tem sinal positivo (não espontânea).
ΔG é extremamente influenciado pela concentração de substratos e produtos.
Diferença no conteúdo de energia livre de reagentes e produtos, nas condições padrão (ΔGo’):
Temperatura de 25oC (298K);
Pressão de 1 atm.;
pH 7.
Entalpia (H): conteúdo em calor do sistema reagente (reflete os tipos e o nº de ligações químicas nos reagentes e produtos);
Reação exotérmica: libera calor - o conteúdo em calor dos produtos é menor que aquele dos reagentes e ΔH é negativo (o sistema reagente libera calor para o ambiente);
Reação endotérmica: absorve calor - o conteúdo em calor dos produtos é maior que aquele dos reagentes e ΔH é positivo (o sistema reagente retira calor do ambiente).
Entropia (S): expressão quantitativa para a casualidade, ou desordem, em um sistema. Se os produtos de uma reação são menos complexos e mais desordenados que os reagentes, significa que houve ganho em entropia. Logo, o aumento de S implica em diminuição do potencial de realizar trabalho;
Energia útil: energia livre e energia calorífica;
Energia livre: realiza trabalho à P e T constantes;
Energia calorífica: só realiza trabalho através de variações de P ou de T.
Todos os processos naturais evoluem naturalmente para um mínimo de energia, isto é, tendem ao equilíbrio. Ex: Calor difunde-se sempre do corpo mais quente para o mais frio; um soluto difunde-se sempre da região de maior para a de menor concentração.
As reações espontâneas liberam energia e uma parte da energia é conservada e outra é dissipada.
A variações em G, H e S estão relacionadas, quantitativamente, pela equação:
ΔG = ΔH - T.ΔS
Portanto:
A preservação da ordem interna dos organismos vivos se dá por meio da retirada de energia livre do ambiente na forma de nutrientes, ou de energia solar, e devolução para o ambiente de energia na forma de calor e entropia.
A tendência natural de desorganização do sistema pode ser contornada pelo fornecimento de energia ao sistema. Porém, nesse processo, a entropia do universo aumenta.
Bioenergética: estudo quantitativo das relações de energia e conversões energéticas em sistemas biológicos. 
Os processos metabólicos, como qualquer conversão de energia, envolvem sempre a perda de energia útil (energia livre) e aumento da energia não utilizável (calor e entropia);
Matéria pode ser continuamente reciclada (ciclos do carbono, do oxigênio e do nitrogênio).
Ciclo do Nitrogênio
Ciclo do dióxido de carbono e do oxigênio
Metabolismo: Conjunto de todas as conversões químicas que ocorrem nas células. É um processo complexo, econômico e finamente regulado.
Vias Metabólicas: Série de reações sequenciais, catalisadas por enzimas específicas, em que o precursor (substrato) é convertido em produto. Isto ocorre em várias etapas, por meio de alterações químicas específicas que formam intermediários metabólicos (metabólitos) até a obtenção do produto final;
Lineares: um precursor (substrato), um produto;
Ramificadas: um precursor, vários produtos finais ou vários precursores convertidos em um só produto;
Cíclicas: um conjunto de reações converte um composto inicial em produto final, enquanto ocorre também a regeneração de um outro composto inicial.
Sistema multienzimático: conjunto de enzimas de uma via metabólica.
 E1 E2 E3 E4 E5 E6	
	
Seta em único sentido: reação irreversível nas condições celulares.
Seta nos dois sentidos (mesmo tamanho): reação reversível (equilíbrio)
Seta nos dois sentidos (tamanhos diferentes): Fluxo de material no sentido que a seta for maior.
E1 a E6: Sistema multienzimático - B, C, D, E e F: Metabólitos
Fases do Metabolismo:
Catabolismo: fase de degradação do metabolismo. Moléculas como carboidratos, TAG e proteínas são convertidas em produtos menores e mais simples (CO2, ácido lático, NH3). No catabolismo há liberação de energia; parte da energia liberada é conservada na forma de ATP (ADP e Pi são convertidos em ATP) e de potencial redutor (NADH, NADPH e FADH2). Isto é, as moléculas catabolizadas sofrem oxidação (perda de elétrons) e os elétrons liberados reduzem as coenzimas carreadoras de elétrons (NAD, NADP, FAD);
Anabolismo: fase de biossíntese do metabolismo. Moléculas mais simples são convertidas em outras maiores e mais complexas. As reações do anabolismo requerem energia externa que, em geral, vem da hidrólise do ATP; os elétrons são provenientes do NADH, NADPH, FADH2, etc. Neste processo, as moléculas são reduzidas e as coenzimas são oxidadas (doam seus elétrons).
Em geral, as células podem realizar tanto a degradação (catabolismo) quanto a síntese (anabolismo) da maioria das biomoléculas. Mas, a síntese e a degradação simultâneas de uma mesma biomolécula (como a glicose, por exemplo) seria inútil. 
Vias catabólicas e anabólicas correspondentes são reguladas de forma recíproca, ou seja, quando uma via está ativa a outra é suprimida. Isto porque as vias catabólicas e anabólicas correspondentes, embora compartilhem a maioria das enzimas, têm pelo menos uma etapa catalisada por uma enzimadiferente nos sentidos catabólicos e anabólicos. Essas enzimas constituem os pontos de regulação independente para cada uma das vias. Além disso, tais vias correspondentes, em geral, ocorrem em compartimentos celulares diferentes.
Pelo menos uma das reações específicas de cada sentido (catabólico ou anabólico) é termodinamicamente muito favorável em um dos sentidos, consequentemente muito desfavorável no sentido inverso (oposto).
Acoplamento de Reações Endergônicas e Exergônicas:
Os valores de ΔGo’ de reações químicas sequenciais são aditivos. Dessa forma, uma reação termodinamicamente desfavorável (endergônica) pode ocorrer acoplada a uma reação termodinamicamente muito favorável (exergônica), desde que compartilhem um intermediário (sejam sequenciais).
A estratégia de acoplamento é muito utilizada no metabolismo e depende da disponibilidade de compostos “ricos em energia” como o ATP.
Exemplo de acoplamento de reações:
Glicose + Pi Glicose-6P + H2O - ΔGo’ = 13,8 kJ/mol. Esse valor positivo indica que nas condições-padrão esta reação tende a não ocorrer espontaneamente).
ATP + H2O ADP + Pi - ΔGo’ = -30,5 kJ/mol. A hidrólise do ATP é uma reação que ocorre com liberação de energia.
Essas 2 reações têm dois intermediários em comum: Pi e H2O e podemos expressá-las sequencialmente como:
Glicose + Pi Glicose-6P + H2O
ATP + H2O ADP + Pi
Glicose + ATP Glicose-6P + ADP
ΔGo’ total = 13,8 + (-30,5) = -16,7 (reação global é exergônica)
Diferentes Níveis de Regulação das Vias Metabólicas:
Substrato: particularmente importante quando a concentração está próxima ou abaixo do KM (regulação rápida);
Regulação da atividade das enzimas;
Moduladores alostéricos: positivos ou negativos (regulação rápida);
Modificação covalente: fosforilação, ADP-ribosilação, adenilação, etc.
A compartimentalização celular de substrato e enzimas.
Organismos multicelulares têm o metabolismo dos diferentes tecidos regulado e integrado pela ação de fatores de crescimento e de hormônios. Tal regulação pode ter uma latência curta (por alteração da atividade de enzimas por mecanismos alostéricos ou modificação covalente) ou latência mais longa (por alteração na enzima, alterando a velocidade de síntese ou de degradação).
Moeda Energética do Metabolismo: ATP
Transferência de grupo fosforil: função essencial nas vias metabólicas.
O catabolismo de biomoléculas em células heterotróficas libera energia livre, sendo parte dessa energia conservada para gerar ATP a partir de ADP e Pi. O ATP promove processos endergônicos (síntese de macromoléculas, transporte de compostos contra o gradiente de concentração através de membranas, trabalho mecânico) doando parte da sua energia química. Geralmente, o ATP participa da reação ligando-se covalentemente e sendo convertido em ADP e Pi ou em AMP e 2Pi.
A hidrólise do ATP e de outros compostos de fosfato de alta energia envolve uma variação de energia livre grande e negativa.
A “doação” de energia do ATP, na maioria das vezes, não é a simples hidrólise do ATP, mas envolve a transferência de grupo.
ATP + H2O ADP + Pi ΔGo’ = -30,5 kJ/mol. Fora das condições-padrões o ΔG (real) é muito diferente de ΔGo’.
ATP
Classificação dos Compostos de Fosfato em Função da Energia Livre Padrão de Hidrólise:
Compostos de “alta energia”: ΔGo’ de hidrólise mais negativo que -25 kJ/mol;
Compostos de “baixa energia”: ΔGo’ de hidrólise menos negativo que -25 kJ/mol.
Assim ATP, fosfo-enol-piruvato (PEP) e 1,3- bifosfoglicerato são compostos de alta energia, enquanto glicose-6P e glicerol são compostos de baixa energia.
Considerações Importantes:
A participação do ATP como doador de energia na maioria das reações é representada, como se fosse uma reação de hidrólise simples, por uma seta indicando a conversão de ATP em ADP e Pi ou em AMP e PPi (pirofosfato).
De fato, a hidrólise do ATP, por si só, resultaria apenas em liberação de energia na forma de calor (que não realiza trabalho em um sistema isotérmico).
Em geral, tais reações indicam, na verdade, um processo em 2 etapas:
1ª Etapa: Transferência de uma parte da molécula de ATP (o grupo fosforil, o pirofosforil ou a porção adenilato (AMP)) para o substrato (S) ou para um resíduo de aa de uma enzima (E), com acoplamento covalente ao S ou à E, resultando em aumento do seu conteúdo de energia;
2ª Etapa: Deslocamento da porção fosfato transferida, liberando Pi, PPi ou AMP. Ou seja, o “ATP participa covalentemente da reação enzimática para a qual fornece energia livre.”
Alguns processos, de fato, envolvem a hidrólise do ATP. Ex: Alternância entre duas conformações de uma proteína, como ocorre na contração muscular.
As Coenzimas NAD e NADP são Transportadores de Elétrons:
A nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+ na forma oxidada) e a nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato (NADP+ na forma oxidada) participam de reações catalisadas por desidrogenases (DH) e atuam como transportadores solúveis de elétrons;
Essas coenzimas podem ser reduzidas reversivelmente em seu anel de nicotinamida. Durante a oxidação de uma molécula de substrato (desidrogenação), dois átomos de hidrogênio (2 prótons e 2 elétrons) são liberados; a forma oxidada dessas coenzimas (NAD+ ou NADP+) recebe um íon hidreto (H-, equivalente a 1 próton e 2 elétrons) e é, então, reduzida a NADH ou NADPH. O segundo próton é liberado no meio aquoso.
Semirreações: 
NAD+ + 2e- + 2H+ NADH + H+
NADP+ + 2e- + 2H+ NADPH + H+
As enzimas que catalisam esse tipo de reação de oxirredução são as desidrogenases.
Oxidação - Redução: reações nas quais os elétrons são retirados/adicionados de/em grupamentos químicos altamente energéticos.
Oxidação: remoção de elétrons;
Redução: adição de elétrons.
Nas reações de oxidação/redução sempre haverá um agente redutor e um agente oxidante.
Nas reações biológicas, a maioria dos processos e oxidação-redução envolvem carbonos que são capazes de doar ou aceptar os elétrons. Esses elétrons estarão acompanhados de hidrogênios, ou seja, frequentemente ocorre a desidrogenação do carbono (enzima desidrogenase).
Estados de oxidação do carbono: metano - menos oxidado (mais reduzido);
 	 dióxido de carbono - mais oxidado.
Potencial de Redução (E): capacidade de captar/doar elétrons entre seu par redox.
Par Redox: característica química que determina um par de moléculas que assumem um papel oxidante e redutor.
 Receptor Doador 
 NAD+ + 2e- + 2H+ NADH + H+
 Oxidado	 Reduzido 
 NADP+ + 2e- + 2H+ NADPH + H+
Receptor > doador E+ = par redox tende a captar e-. 
Doador > receptor E- = par redox tende a doar e-.