JÁ FORAM ADQUIRIDOS OS CONCEITOS PARA

COMPREENDER A BIOENERGÉTICA ?

Quais as reações tipo?

E fenómenos como o enrolamento das proteínas ou o transporte ativo?

Como podem ser interpretadas do ponto de vista termodinâmico?

O

OH O

O

P+

O

OH O

O

P

O

OH O

O

P

OH

OH O

O

P

O

H

OH

H

OH

HH

CH2N

NN

N

NH2

O

O

O

P

O

O

O

P

O

O O

O

P

ribose

adenina

fosfato

ATP

Potenciais de transferência do grupo fosfato

adenosina trifosfato (ATP)

A reação de hidrólise do ATP

A tendência para uma molécula transferir um grupo fosfato pode ser quantificada pelo valor de ∆G' para a reação de transferência de um grupo fosfato para um composto referência, em solução aquosa.

ATP + H2O ADP + Pi =-7,7 kcal/mol

e

glucose-6-fosfato + H2O glucose + Pi =-3,3 kcal/mol

'0

PG∆∆∆∆

'0

PG∆∆∆∆

Potenciais de transferência do grupo fosfato

composto '0PG∆ (kcal/mol) Potencial de transferência

do grupo fosfato

Fosfoenolpiruvato -14,8 14,8

1,3-difosfoglicerato -11,8 11,8

Fosfocreatina -10,3 10,3

Acetilfosfato -10,1 10,1

Fosfoarginina -7,7 7,7

ATP (a ADP) -7,3 7,3

Glucose-1-fosfato -5,0 5,0

Frutose-6-fosfato -3,8 3,8

Glucose-6-fosfato -3,3 3,3

Glicerol-1-fosfato -2,2 2,2

DOADORES DE FOSFATO

Potenciais de transferência do grupo fosfato

A hidrólise do ATP em condições celulares∆G = ∆G’0 + RT ln Qreacção

Potenciais de transferência do grupo fosfato

Fosfoenolpiruvato + ADP piruvato + ATP

'0

PG∆∆∆∆

Então para a reação total

= (-55,6 + 32,2) = -23,4 kJmol-1

Fosfoenolpiruvato + H2O piruvato + Pi = -55,6 kJmol-1

ADP + Pi ATP + H2O = +32,2 kJmol-1

'0

PG∆∆∆∆'0

PG∆∆∆∆

Pode considerar-se que duas reações químicas ocorrem simultaneamente.

REAÇÕES ACOPLADAS

REAÇÕES ACOPLADAS

Nos sistemas biológicos:

- uma reação endergónica está acoplada a uma reação exergónica de forma a que a reação global seja exergónica

- geralmente a reação exergónica é a hidrólise de ATP a ADP e Pi

- a reação acoplada é frequentemente catalisada por umaenzima (controlo cinético do processo)

Síntese dos aminoácidos é umoutro exemplo que permitevisualizar a importância das reações de acoplamento.

A formação de glutamina (Gina) a partir do glutamato (Gato):

++++

4NH + Gato Gina + H2O

Exemplo - Síntese dos aminoácidos

Síntese dos aminoácidos é umoutro exemplo que permitevisualizar a importância das reações de acoplamento.

A formação de glutamina (Gina) a partir do glutamato (Gato):

++++

4NH + Gato Gina + H2O

Exemplo - Síntese dos aminoácidos

Reações do metabolismo dos aminoácidos

Síntese dos aminoácidos é umoutro exemplo que permitevisualizar a importância das reações de acoplamento.

A formação de glutamina (Gina) a partir do glutamato (Gato):

é caracterizada por uma constante de equilíbrio nas condições fisiológica(pH=7) de K≅ 0,003Então pode escrever-se:

++++

4NH + Gato Gina + H2O

[[[[ ]]]][[[[ ]]]] [[[[ ]]]] 0030

4

,NHG

GK

ato

ina

G========

++++

∆G0 = -RTln KG = + 3,4 kcal

A síntese de glutamina a partir de glutamato não ocorreria espontaneamente no organismo

Exemplo - Síntese dos aminoácidos

Contudo esta reação está acoplada à reação de hidrólise do ATP

ADP + Pi ATP + H2O ∆H= + 32,2 kJ mol-1

+ Gato + ATP Gina + ADP + Pi++++

4NH

[[[[ ]]]] [[[[ ]]]] [[[[ ]]]][[[[ ]]]] [[[[ ]]]] [[[[ ]]]] 6009

4

,ATPNHG

PiADPGK

ato

ina

ATP,G========

++++

e o valor de = -RTln KG,ATP = -5,4 kcal'

ATP,GG 0∆∆∆∆

Exemplo - Síntese dos aminoácidos

A partir da reacção de síntese da glutamina sozinha e acoplada à reacção de hidrólise do ATP pode ser retirada informação sobre a reacção de hidrólise do ATP.

[[[[ ]]]] [[[[ ]]]] [[[[ ]]]][[[[ ]]]] [[[[ ]]]] [[[[ ]]]][[[[ ]]]] [[[[ ]]]] [[[[ ]]]]

[[[[ ]]]] [[[[ ]]]][[[[ ]]]]

6

4

4 1030030

9600x

,ATPPiADP

NHG/GATPNH/GPiADPG

K

K

atoina

atoina

G

ATP,G ================++++

++++

A partir deste resultados é possível obter o valor de =-7,7 kcalpara a hidrólise do ATP

ATP+ H2O ADP + Pi =-7,7 kcal

'

ATPG 0∆∆∆∆

'

ATPG 0∆∆∆∆

Exemplo - Síntese dos aminoácidos

A reação global de oxidação (combustão) da glucose empresença de O2(g) para formar CO2(g) e H2O(l) estáassociada a uma variação de energia de Gibbs bastantenegativa. Usando os valores da variação da energia livre deGibbs de formação a 298 K obtém-se para a reação um

= -2878 kJ0

298G∆∆∆∆

C6H12O6(s) + 6 O2 (g) 6 CO2 (g) + 6 H2O (l)

A maior parte desta variação de energia livre é devida à contribuição entálpica ∆H = -2801 kJ e relativamente pouco devida à contribuição entrópica, -T∆S = -77,2 kJ.

Glicólise

Assim quando a glucose sofre combustão diretamente com o oxigénio, quase toda a energia é libertada como calor. No entanto nas células dos organismos uma fração significativa é retida como energia de ligação química, por exemplo na forma de ATP ou na forma de outras moléculas sintetizadas.

Glicólise

piruvatociclo

do ácido cítrico

Nos organismos aeróbicos

Mitocondria

CO2 + H2O

lactato

Em condições menos aeróbicas

no músculo

Em condições anaeróbicasno mosto

etanol

glucose

Glicólise

Glicólise

1,3-Bisfosfoglicerato

3-Fosfoglicerato

2-Fosfoglicerato

Glucose

Glucose-6-fosfato

Frutose-6-fosfato

Frutose-1,6-difosfato

ATP

ADP

ATP

ADP

Dihidroxiacetona fosfato

Gliceraldeido-3-fosfato NAD+ + Pi

NADH+H+

ADP

ATP

Fosfoenolpiruvato

Piruvato

ADP

ATP

∆∆∆∆Go’(kJmol -1)

-16,7

+1,7

-14,2

+23,8

2(+6,3)

2(-18,8)

2(+4,6)

2(+1,7)

2(-31,4)

H2O

ciclo do ácido cítrico

Nos organismos aeróbicos

Mitocondria

CO2 + H2O

Metabolismo da glucose para a

conversão de glucose a piruvato

nas células

O primeiro passo do metabolismo da glucose é a formação deglucose-6-fosfato.Esta reação é uma reação com um ∆G positivo que ocorre espontaneamente no organismo porque está acoplada à reação de hidrólise do ATP (mas que está sob controlo cinético através da enzima hexocinase).

glucose + fosfato glucose-6-fosfato + H2O'0G∆ =+14,3 kJ

ATP + H2O ADP + fosfato'0G∆ =-31,0 kJ

glucose + ATP glucose-6-fosfato + ADP'0G∆ =-16,7 kJ

Glicólise

Glicólise

1,3-Bisfosfoglicerato

3-Fosfoglicerato

2-Fosfoglicerato

Glucose

Glucose-6-fosfato

Frutose-6-fosfato

Frutose-1,6-difosfato

ATP

ADP

ATP

ADP

Dihidroxiacetona fosfato

Gliceraldeido-3-fosfato NAD+ + Pi

NADH+H+

ADP

ATP

Fosfoenolpiruvato

Piruvato

ADP

ATP

∆∆∆∆Go’(kJmol -1)

-16,7

+1,7

-14,2

+23,8

2(+6,3)

2(-18,8)

2(+4,6)

2(+1,7)

2(-31,4)

H2O

ciclo do ácido cítrico

Nos organismos aeróbicos

Mitocondria

CO2 + H2O

Metabolismo da glucose para a

conversão de glucose a piruvato

nas células

Logo, numa via metabólica baseada numa cadeia de reações, o contributo favorável dos parâmetros termodinâmicos para a sua ocorrência não pode ser baseado num passo específico, mas sim avaliado pela variação da energia livre de Gibbs do processo global.

Glicólise

'0n

'02

'01

'0T G...GGG ∆++∆+∆=∆

KT = K1 x K2 x … x Kn

RTln(KT) = RTln(K1) + RTln(K2) + … + RTln(Kn)

Termodinâmica e estruturas biológicas

• Porque as proteínas assumem uma determinada

conformação?

• Porque ocorre desnaturação (alteração da conformação) com

o aumento da temperatura?

• Como é formada e como se mantém estável a estrutura em

dupla camada nas membranas biológicas?

Qual o papel da termodinâmica na formação das estruturas biológicas?

Estrutura das proteínas

Aminoácidos

Estrutura das proteínas

Ligação

peptídica

Estrutura das proteínas – forças inter-atómicas

Oxidação de dois resíduos

sulfidrilo (intermolecular:

ribonuclease; entre

subunidades: insulina)

fraca (2-5 kcal/mol vs.

covalente: 70-100 kcal/mol),

mas presente em abundância

fraca (3 kcal/mol), é

afetada pelo pH

Interações dipolo-dipolo induzido: forças de van der Waals (transiente e fraca: 0.1-0.2 kcal/mol)

Interações hidrofóbicas, tendência apresentada por grupos hidrofóbicos que leva à minimização da interação

com o meio hidrofílico

Forças inter-atómicas e estrutura das proteínas

• Interações entre átomos dentro da cadeia da proteína

• Interações entre a proteína e o solvente

Forças que estabilizam a estrutura das proteínas

• Ligação covalente 250 kJ/mol

• Ligação de hidrogénio 20 kJ/mol

• Complexação com metais

• Interações iónicas

• Pontes dissulfureto

• Interações electrostáticas 5 kJ/mol

• Van der Waals 1-5 kJ/mol

Forças que estabilizam a estrutura das proteínas: tipos de ligação

Forças inter-atómicas e estrutura das proteínas

Estrutura das proteínas – forças inter-atómicas

sequência de

aminoácidos

interações

locaisinterações mais

afastadas

interações entre

subunidades

A estrutura da proteína depende da sequência de aas e interações

Estrutura terciária e função catalítica

Efeito hidrofóbico

O que ocorre quando uma molécula apolar é transferida para um solvente

polar?

CH4 (em CCl4) CH4 (aq)

∆G = + 12 kJ mol-1

∆H = - 10 kJ mol-1

∆S = - 75 kJ mol-1

Efeito hidrofóbico – formação de pontes de hidrogénio

Efeito hidrofóbico

As moléculas de

água formam uma

“gaiola”, rodeando

a molécula apolar

Efeito hidrofóbico

Efeito hidrofóbico

O que ocorre quando uma molécula apolar é transferida para um solvente

polar?

CH4 (em CCl4) CH4 (aq)

∆G = + 12 kJ mol-1

∆H = - 10 kJ mol-1 devido às pontes de H

∆S = - 75 kJ mol-1 devido ao aumento da organização do solvente

Efeito hidrofóbico – membranas

Efeito hidrofóbico - proteínas

Maior exposição da zonahidrofóbica,

maior organizaçãodo solvente

Menor exposição da zonahidrofóbica,

maior desorganizaçãodo solvente

não enrolada(unfolded)

enrolada(folded)

HOH HOH

+

Observação:

• Os resíduos hidrofóbicos localizam-se para o interior e os hidrofílicos para o exterior

• A superfície exterior das proteínas pode ser constituída por cerca de 60% de átomos polares

• O enrolamento das proteínas (folding) ocorre de forma a maximizar a eficiência das ligações por pontes de hidrogénio no solvente (água).

Termodinâmica do enrolamento (folding) das proteínas

No caso das proteínas…

Justificação:

• Quando os resíduos hidrofóbicos estão expostos para o solvente a estrutura por pontes de hidrogénio da água é desfeita.

• A quebra das pontes de hidrogénio na água não é energeticamente favorável.

• As moléculas da água reorientam-se em torno das moléculas hidrofóbicas (∆S < 0).

• A estrutura hidrofóbica é compactada: parte das moléculas de água é afastada e deixa de estar em contacto com a estrutura proteica (∆S > 0).

No caso das proteínas…

Termodinâmica do enrolamento (folding) das proteínas

Termodinâmica - proteínas

� Durante a biossíntese de proteínas, a ligação de um dado aminoácido ao respectivo

tRNA é catalisada por uma enzima, designada por aminoacil-tRNA sintetase, que por

sua vez é específica para um dado aminoácido.

Considerando a enzima isoleucil-tRNA sintetase, foram obtidos os seguintes dados

sobre a ligação desta enzima a distintas moléculas de tRNA:

Substrato ∆H0 / kJ mol-1 ∆S0 / J mol-1 K-1

tRNA (isoleucina) 0 + 142,0

tRNA (valina) +33,4 +225,7

A partir destes valores, calcule a razão que traduz o favorecimento da ligação correcta

(tRNA (isoleucina)) comparativamente com a ligação incorrecta (tRNA (valina)) a 293 K

e a 313 K.

Termodinâmica - proteínas

� Durante a biossíntese de proteínas, a ligação de um dado aminoácido ao respectivo

tRNA é catalisada por uma enzima, designada por aminoacil-tRNA sintetase, que por

sua vez é específica para um dado aminoácido.

Considerando a enzima isoleucil-tRNA sintetase, foram obtidos os seguintes dados

sobre a ligação desta enzima a distintas moléculas de tRNA:

Substrato ∆∆∆∆H0 / kJ mol-1 ∆∆∆∆S0 / J mol-1 K-1

tRNA (isoleucina) 0 + 142,0

tRNA (valina) +33,4 +225,7

A partir destes valores, calcule a razão que traduz o favorecimento da ligação correcta

(tRNA (isoleucina)) comparativamente com a ligação incorrecta (tRNA (valina)) a 293 K

e a 313 K.

Termodinâmica - proteínas

A razão que traduz o favorecimento da ligação correcta (tRNA (isoleucina))

comparativamente com a ligação incorrecta (tRNA (valina)) é dada por:

))valina(tRNA(ligaçãoK

))isoleucina(tRNA(ligaçãoK

eq

eq

Considerando novamente a relação

RT

H

R

SKln

00

eq∆−∆=

é possível calcular os valores de ln Keq para a ligação entre a enzima isoleucil-tRNA

sintetase e cada uma das moléculas de tRNA.

Termodinâmica - proteínas

tRNA (isoleucina)

T = 293 K e 313 K ln Keq = ∆S0 / R porque ∆H0 = 0

ln Keq = 142 / 8,314 = 17,08

tRNA (valina)

T = 293 K ln Keq = ∆S0 / R - ∆H0 / (RT)

ln Keq = 225,7 / 8,314 – 33,4 x 103 / (8,314 x 293) = 13,46

T = 313 K ln Keq = 225,7 / 8,314 – 33,4 x 103 / (8,314 x 313) = 14,31

Termodinâmica - proteínas

Razão a 293 K

incorrectaeqKlncorrectaeqKln

incorrectaeqKln

correctaeqKln

eq

eqe

e

e

incorrectaK

correctaK −==

3,37eincorrectaK

correctaK 46,1308,17

eq

eq == −

0,16eincorrectaK

correctaK 31,1408,17

eq

eq == −

Razão a 313 K