1 Introdução ao Metabolismo e Bioenergética

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Introdução ao Metabolismo 
e Bioenergética
Prof. Dr. Edson dos Anjos
Introdução ao Metabolismo
• Visão Geral do Metabolismo:
O estudo da formação e da degradação das biomoléculas é essencial 
para entender seu funcionamento. 
Formação DegradaçãoProteínas
Consumo 
Energia
Produção 
Energia
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Introdução ao Metabolismo
• Visão Geral do Metabolismo:
Metabolismo: Conjunto altamente organizado e complexo de 
reações catalisadas e reguladas por enzimas. 
Estas reações se organizam em sequências enzimáticas
VIAS METABÓLICAS
Introdução ao Metabolismo
• Mapa de Vias Metabólicas
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Introdução ao Metabolismo
• Visão Geral do Metabolismo:
A primeira vista é muito complexo!
Temas unificadoras e/ou recorrentes:
- metabólitos e reações comuns
- transportadores ou intermediários ativados
- tipos de reações químicas
- modos de regulação 
MAS.... existem alguns princípios básicos, uma certa lógica no seu 
desenho e temas unificadores e recorrentes (refletindo uma certa 
organização modular) que ajudam a tornar seu entendimento mais fácil
Introdução ao Metabolismo
• Visão Geral do Metabolismo:
 Anabolismo: Síntese de todos os
compostos necessários à
manutenção do equilíbrio dinâmico
(proteínas, carboidratos, lipídeos,
ácidos nucleicos)
 Catabolismo: quebra de moléculas
combustíveis para obtenção de
energia e monômeros para síntese
de suas próprias moléculas
Dividido em duas categorias:
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Introdução ao Metabolismo
• Visão Geral do Metabolismo:
As vias catabólicas liberam energia, uma parte é conservada na forma de ATP e
de transportadores de elétrons (NADH, NADPH e FADH2);
As vias anabólicas necessitam de energia, geralmente na forma de potencial de
transferência de grupo fosforil do ATP e do poder redutor dos transportadores
de elétrons.
Metabólitos Complexos
Produtos Simples
Degradação Biossíntese
ATP
Anabolismo
ADP+Pi
Catabolismo
•Biossíntese
•Contração muscular
•Transporte de íons
•Termogênese
O2
H2O
CO2
Biomoléculas
Uréia
Introdução ao Metabolismo
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Introdução ao Metabolismo
A energia liberada durante o 
Catabolismo é usada para a 
formação do ATP
Sítio 
reativo
Similarmente, o metabolismo resulta na produção de 
carreadores de elétrons reduzidos, NADH e NADPH 
(participam de etapas redutoras biossintéticas)
NAD
NADPH
As Fases do 
Catabolismo
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Introdução ao Metabolismo
• Visão Geral do Metabolismo:
Três tipos de vias metabólicas não-
lineares:
a) Convergente, catabólica; 
b) divergente, anabólica;
c) cíclica.
Bioenergética
• As transformações biológicas de energia obedecem às Leis da
Termodinâmica
1ª Lei (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.
VIZINHANÇA (resto do universo)
Sistema
(região definida)
Princípio Zero: Equilíbrio termodinâmico
B AE E E Q W    
EA: Energia do sistema no início do processo
EB: Energia do sistema no final do processo
Q : Calor absorvido pelo sistema de sua circunvizinhança
W: Trabalho realizado pelo sistema
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Bioenergética
• As transformações biológicas de energia obedecem às Leis da
Termodinâmica
2ª Lei (Aumento da desordem): em todos os processos naturais, a
entropia do universo aumenta.
(ΔS Sistema+ ΔS Vizinhança) > 0
Energia Livre de Gibbs
ΔG= ΔH - TΔS
ΔG = 0 (sistema em equilíbrio)
ΔG > 0 (não espontânea)
ΔG < 0 (espontânea)
Bioenergética
• ΔG e Equilíbrio
[ ][ ]ln
[ ][ ]
o C DG G RT
A B
   
A + B C + D
Em uma reação em equilíbrio
Go = variação da energia livre padrão
T = 298 K = 25 °C
R = 8,315 J/mol.K ou 1,987 cal/mol.K - constante dos gases
Concentração de todos os reagentes é 1,0 M
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Bioenergética
Esta equação refere-se a natureza dos reagentes e as suas
concentrações.
ΔGº’ é a variação de energia livre padrão de reações bioquímicas (ou
de padrão aparente).
H2O: pH= 7, [H+] = 1,0 M
A concentração de todos os reagentes = 1,0 M
Bioenergética
Constante de equilíbrio reacional
[ ][ ]ln
[ ][ ]
o C DG G RT
A B
   
[ ][ ]
[ ][ ]eq
C DK
A B

' ' lno eqG G RT K   
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Glicose-1-fosfato Glicose-6-fosfato
Bioenergética
Calcule a variação de energia livre padrão da reação catalisada pela
enzima fosfoglicomutase (glicogenólise):
Onde a reação se inicia com 20 mM de glicose-1-fosfato e ausência de
glicose-6-fosfato e 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 formação de glicose-6-fosfato ocorre com perda ou ganho
de energia livre?
Determinação do ΔG°’
Bioenergética
' ' ln
' ln
' ln
o
eq
o
eq
o
G G RT K
G RT K
G K
   
  

 
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Variação da 
energia 
padrão para 
algumas 
reações 
químicas que 
ocorre nos 
organismos 
vivos.
Bioenergética
O ΔG e ΔG’° para uma determinada reação:
aA + bB cC + dD
Estão relacionados pela equação:
Esse termo é a 
razão da ação das 
massas (Q), a que 
realmente prevalece
E pode ser expresso dessa maneira:
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A B
Bioenergética
No caso de duas reações químicas sequenciais:
B C
Cada reação possui sua própria Keq e seu ΔG’° (ΔG1’° e ΔG2’°), como 
as duas reações são sequenciais, B é cancelado, resultando:
Assim o ΔG’°total= ΔG1’° + ΔG2’°, esse princípio da Bioenergética 
explica como uma reação termodinamicamente desfavorável 
(endergônica) pode ocorrer no sentido direto, por meio de um 
intermediário comum.
Bioenergética
Por exemplo, a síntese da glicose-6-fosfato é o primeiro passo 
na utilização de glicose em muitos organismos:
O valor positivo do ΔG’° indica que, em condições padrão, a 
reação não tenderá a ocorrer espontaneamente. Mas a reação 
sequencial é muito exergônica:
Essas reações compartilham dois intermediários em comum, Pi
e H2O, e são expressas como reações sequenciais:
Glicose + Pi → glicose-6-fosfato + H2O ΔG’°= 13,8 kJ/mol
ATP + H2O → ADP + Pi ΔG’°= -30,5 kJ/mol
Glicose + Pi → glicose-6-fosfato + H2O ΔG’°= 13,8 kJ/mol
ATP + H2O → ADP + Pi ΔG’°= -30,5 kJ/mol
_________________________________________________________
Soma: ATP + glicose → ADP + glicose-6-fosfato ΔG’°total= -16,7 kJ/mol
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Reações Bioquímicas Comuns
A maior parte das reações nas células vivas pertence a uma das 
cinco categorias gerais:
1) Reações que criam ou quebram ligações C-C;
2) Rearranjos internos, isomerizações e eliminações;
3) Reações com radicais livres;
4) Transferência de grupos;
5) Oxidação-redução.
Reações Bioquímicas Comuns
Princípios químicos básicos
1) Reações que criam ou quebram ligações C-C;
Algumas reações comuns de formação
quebra de ligações C-C em sistemas
biológicos.
Dois mecanismos para a clivagem de uma
ligação C-C ou C-H.
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Reações Bioquímicas Comuns
Princípios químicos básicos
Nucleófilos e eletrófilos comuns em reações bioquímicas
Reações Bioquímicas Comuns
Princípios químicos básicos
2) Rearranjos internos, isomerizações e eliminações;
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Reações Bioquímicas Comuns
Princípios químicos básicos
3) Reações com radicais livres:
Uma reação de descarboxilação iniciada por radicais livres. A biossíntrese do grupo 
heme em Escherichia coli inclui esta etapa. 
Reações Bioquímicas Comuns
Princípios químicos básicos
4) Transferências de grupos:
As transferências de grupos acil, glicosil e fosforil de um 
nucleófilo para outro é comum em células vivas
Reação SN2
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Reações Bioquímicas Comuns
Princípios químicos básicos
5) Reações de oxidação e redução:
O estado de oxidação do carbonoem biomoléculas Reação importante no Ciclo do Ácido 
Cítrico
Na presença de O2 e 
luciferase, ocorre a 
descarboxilação do 
adenilato de luceferina 
Indicadores Incandescentes de ATP
Vaga-lume, um 
besouro da família 
Lampyridae
O ATP é usado em um 
grupo de reações que 
convertem energia 
química energia 
luminosa.