Bioenergética e Metabolismo nas Células

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Bioenergética e metabolismo
Isabela Ramos Mariano
Bioenergética e metabolismo
Bioenergética é o estudo das transduções (transformações) energéticas que ocorrem em células vivas (mudança de energia de uma forma para outra).
Metabolismo é a somatória de todas as transformações químicas de uma célula ou organismo.
O que é metabolismo? Uma atividade altamente coordenada na qual diversos sistemas multienzimáticos atuam conjuntamente, visando 4 objetivos:
1) Obter energia química:
Seja por captação de energia solar ou degradação de nutrientes ricos em energia obtidos do meio ambiente.
2) Converter as moléculas dos nutrientes em moléculas com características próprias de cada célula
3) Formar macromoléculas
Como proteínas, ácidos nucleicos e polissacarídeos a partir de precursores monoméricos, as quais vão ter atividades específicas nas células.
4) Sintetizar e degradar biomoléculas necessárias para determinadas funções celulares
Os organismos diferem pelas suas fontes de energia
Existem duas categorias amplas com base nas fontes de energia:
1) Fototróficos, que captam e usam a luz solar. Ex: plantas.
2) Quimiotróficos, que obtêm sua energia pela oxidação de um combustível químico. Ex: humanos.
Fototróficos e quimiotróficos podem ser divididos em:
1) Autotróficos, que podem sintetizar todas as suas biomoléculas diretamente do CO2.
2) Heterotróficos, que requerem nutrientes orgânicos previamente formados por outros organismos.
Fototróficos
Quimiotróficos
Autotróficos
Heterotróficos
OU
OU
Ciclo do dióxido de carbono e oxigênio
Carbono, oxigênio e água são constantemente reciclados, sendo a energia solar a força propulsora desse processo.
Ciclo do nitrogênio
O metabolismo é a soma de todas as transformações químicas que ocorrem em uma célula ou em um organismo, por meio de uma série de reações catalisadas por enzimas que constituem as vias metabólicas.
Anabolismo vs catabolismo
Tipos de reações bioquímicas
Reações de oxidação-redução 
São fenômenos que ocorrem em reações onde há transferência de elétrons entre átomos. A oxidação acontece quando o elemento perde elétrons e a redução acontece quando o elemento ganha elétrons.
Exemplo: na formação do sal de cozinha (cloreto de sódio – NaCl), o sódio cede um elétron para o cloro, formando o cátion Na+, ou seja, ele sofre oxidação, pois perdeu um elétron. Ao mesmo tempo, o cloro recebe um elétron, formando o ânion cloreto (Cl-), ou seja, sofre redução.
2) Reações que formam ou rompem ligações carbono-carbono
A clivagem de uma ligação C-C gera um carbânion e um carbocátion. Ao contrário, a formação de uma ligação C-C envolve a combinação de um carbânion com um carbocátion.
3) Rearranjos internos, isomerização e eliminações
Rearranjos moleculares, isomerizações e eliminações podem acontecer em uma molécula sem afetar seu estado de oxidação global.
4) Reações de transferências de grupos
A transferência de grupos acil, glicosil e fosforila de um nucleófilo (que gosta de receber elétrons) para outro é comum em células vivas. A ligação de um intermediário metabólico pode ‘’ativar’’ a molécula para as reações seguintes.
5) Reações envolvendo radicais livres
Os radicais livres, como O3, podem iniciar descarboxilações, isomerizações, reações redutase e reações de rearranjo.
Bioenergética
Retomando...
A bioenergética é o estudo das transformações da energia que ocorrem nas células vivas e dos processos químicos envolvidos nessas transformações.
Ela obedece as leis da termodinâmica.
Primeira Lei: princípio da conservação de energia
Para qualquer transformação física ou química, a quantidade total de energia do universo permanece constante. A energia pode mudar de forma ou ser transportada de uma região para outra, entretanto, ela não pode ser criada ou destruída.
As células vivas se comportam como transdutores de energia, ou seja, convertem energia química em outro tipo necessário.
Segunda lei:
O universo está em crescente desordem. Em todos os processos naturais, a entropia do universo aumenta.
Organismos preservam sua organização interna retirando energia livre do ambiente e retornando à sua vizinhança energia na forma de calor, aumentando o número de moléculas.
Através de um conjunto de reações químicas produtoras ou consumidoras de energia, os organismos conseguem ter suas características ou funções preservadas.
Entropia e energia livre
‘’A entropia total do universo está continuamente aumentando.’’
A entropia é a medida do grau de desordem de um sistema.
Baixa entropia, letras organizadas, formando palavras.
Alta entropia, letras desorganizadas, sem sentido algum.
Organismos vivos são estruturas altamente organizadas, não aleatórias e imensamente ricas em informação, sendo assim, são pobres em entropia.
As células usam energia livre para conseguir realizar as transformações metabólicas necessárias:
Quando o ΔG é negativo, há uma tendência a formação de produto
Quando o ΔG é positivo, há uma tendência na formação de reagente
ΔG de reações no sentido direto e inverso
A energia livre de uma reação (A -> B) no sentido direto é igual em magnitude, mas de sinal oposto àquela da reação no sentido inverso (B -> A).
Ou seja, se ΔG = 2 para reação A ->B, ΔG será =-2 na reação B->A
Os organismos vivos são sistemas abertos em equilíbrio estacionário com o meio!
Eles preservam a sua ordem interna pela retirada de energia do meio na forma de nutrientes ou energia solar e devolvem para o meio na forma de calor e entropia.
Como apenas reações com ΔG < 0 são espontâneas, todas as reações de uma sequência metabólica devem ter essa característica.
1) As reações que tem o ΔG muito negativo estão afastadas do equilíbrio.
2) Reações com o ΔG pouco negativo estão mais próximas do equilíbrio.
As reações que acontecem no nosso corpo são consumidoras de energia, chamadas de endergônicas. Para que elas ocorram, as células se acoplam a outras reações que liberam energia, chamadas de exergônicas. 
A fonte de energia livre em reações biológicas é a energia liberada pela quebra do ATP (trifosfato de adenosina) e do GTP (trifosfato de guanosina).
A remoção de um grupo fosforila A (P) é exergônica. 
Essa reação costuma ser acopladas a várias reações endergônicas nas células. 
A formação da ligação peptídica é impulsionada pela hidrólise do ATP: energia aditiva
A formação da ligação peptídica é endergônica (precisa de energia), enquanto que a hidrólise do ATP é exergônica (libera energia). Quando a primeira reação está acoplada a segunda, o processo total é exergônico e espontâneo.
Acoplamento energético
O objeto maior tem uma quantidade de energia armazenada, por conta da sua elevação;
Ele tende a deslizar para baixo.
Se for acoplado um mecanismo de corda, então o movimento de deslize do maior pode levantar o menor, realizando trabalho.
 Nesse caso, qual bloco representa um processo exergônico? 
O bloco maior (vermelho). A energia disponibilizada pelo movimento de queda espontânea, pode ser acoplada ao processo endergônico, representado pelo movimento do objeto menor (azul).
 Reação 1: ATP  ADP + P 
(reação exergônica)
Reação 2: Glicose + ATP  glicose-6-fosfato + ADP
Reações que apresentam o ΔG muito maior que zero podem ocorrer pelo acoplamento com um segundo processo espontâneo que apresente ΔG bastante negativo, como a hidrólise do ATP.
O ATP como carreador de energia
O ATP consiste em uma molécula de adenosina (adenina + ribose) à qual estão ligados três grupos fosfato.
A energia livre do ATP é de -30,5kcal/mol
Que previsões podem ser feitas a partir do sinal do ΔG?