aula 2 fisiologia animal

7/30/2019 Aula 2 Fisiologia Animal

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Principios bsicos de Feedback, deHomeostasia

Bases da temodinmica / bioenergtica(Leis da termodinmica)Definies de alguns paramtros da

termodinmica


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Todos organismos vivos, independentemente de ter ou noorganizao metazoria compartilham caractersticas epropriedades comuns:

1. Manuteno equilibrada do meio interno operandodentro de condies tolerveis s extremas variaesdo meio ambiente;

2. Aquisio de nutrientes e outras substncias do meioambiente externo garantindo a distribuio pelo corpo;

3. Excreo de produtos finais do metabolismo e outras

substncias indesejveis para o organismo;

4. Proteo contra injrias;5. Reproduo;


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Homeostasia [Homeo, igual; stasia, estado]

o termo empregado para significar a tendncia de ossistemas biolgicos resistirem a mudanas epermanecerem em estado de equilbrio".

HOMEOSTASE


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HOMEOSTASE

Todos os mecanismos vitais, apesar de suadiversidade, tm apenas uma finalidade, a demanterconstantes as condies de vida no

ambiente interno.

Claude Bernard

De acordo com a sua posio na escala evolutiva, os seres vivospodero apresentar uma maior ou menor capacidade de adaptao

ao meio-ambiente.

Protozorio - Ser humano - Co


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HOMEOSTASE

Os organismos mais evoludos faro uso principalmente de dois

recursos bsicos:

o sistema nervoso, atuando basicamente no controle.

o sistema endcrino, atuando principalmente na sinalizao.


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Relagulao Biolgica(feed-back)

O funcionamento destes mecanismos integrado comfactores nervosos e hormonais.So, por si prprios, auto-ajustveisEsses sistemas de regulao tm a caracterstica de

responderem a aumentos ou redues no teororgnico de qualquer substncia

Essencialmente essa regulao compreende ummecanismo de Feed-Back ou Retro-Alimentao, cujoprincpio bsico o de que parte da produo de umsistema volta para o prprio sistema, codificandouma instruo funcional, dizendo-lhe o que deve fazer,isto como deve responder.


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PAPEL DOSRECEPTORES


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Vaso sanguneo

Hormnios Esterides Hormnio Protico(primeiro mensageiro)

Receptor demembrana

Memb. Celular

ReceptorCitoplasmtico

Ativao do segundo mensageiro

Alteraes na atividade enzimtica


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Feed back Negativo

TRH TRH

No controle da produo hormonal


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Feed back Negativo

No controle da Presso arterial


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Estradiol

+ +

Feedback Positivo

Ovulao


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Regulao da osmolaridade plasmtica.

Mecanismo de controle

Sudorese/mico/ingesto de sais osmolaridadeSede

Ingesto de gua osmolaridade

HOMEOSTASE280 a 295 mOsm/L


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Regulao da osmolaridade plasmtica em algumasaves marinhas.

Sem acesso a gua doce, so obrigadas a consumir a gua do mar

Glndulas excretoras de sal localizadas proximamente s narinas e aos olhos, e desta

forma mantm regulados os nveis de sais na sua circulao.

Glndulas excretoras de sal localizadas no crnio de algumas aves


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O CONTROLE HDRICO


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O CONTROLE HDRICO

Osmolaridade

Produo de ADH

perda de gua na diurese

Osmolaridade

Produo de ADH

perda de gua na diurese

Hipotlamo

HOMEOSTASE


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Regulao do dixido de carbono (CO2)

Aumento do metabolismoMaior consumo de O2

Maior produo de CO2

Aumento da freqncia Respiratria

Maior entrada de O2

Maior liberao de CO2

HOMEOSTASE


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Adaptao respiratria de anfbios, mamferos, insetos e crustceos.



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A respirao das aves, complexa e eficiente devido alta demanda de oxignio.


AVES


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Homeostase... pH = 7,35 - 7,45

Acidose........pH menor que 7,35

Alcalose .... pH maior que 7,45

Regulao do pH plasmtico


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ControleIntegrado

Corao

Sistema Nervoso

Pulmes

Rins


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Equilbrio cido-base

Acido Alcalino (Basico)

[OH -]

[H+]

NeutralidadepH

0 147

Acidose Alcalose

Normal

7.35-7.45

Sangue Venoso Sangue Arterial

6.88.0

7.4


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Origem da Acidose

Metablica: Severa diarrea, Diabetesmellitus, exerccio extenuante, uremia

Respiratria: hipoventilao


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Origem da alcalose

Metablica: Vmito, Ingesto dedrogas alcalinas

Respiratria: hiperventilao


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O sistema circulatrio de vital importncia para a conservaoda homeostase.

Ele prov metablitos para os tecidos e elimina os catablitos

Participa no controle do pH

Participa na regulao da temperatura

Participa no controle da volemia

Atua no sistema imunolgico

Permite a aes do sistema endcrino


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Deve ser lembrado que os nveis de substncias no sangue estarosob o controle de outros sistemas ou rgos.

Exemplos:o aparelho respiratrio (pulmes) e o sistema nervoso regulam o nvel dedixido de carbono;

o fgado e o pncreas controlam a produo, o consumo e as reservas deglicose;

os rins so responsveis pela concentrao de hidrognio, sdio, potssio e onsfosfato.

As glndulas endcrinas, por sua vez, controlam os nveis de hormnios nosangue.


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Recebe informaes do crebro, dos sistemas nervoso e endcrino

Faz a integrao de todos estes sinais

O Hipotlamo

E torna possvel:a termorregulaoo equilbrio de energiaa regulao dos fluidos corporaisa regulao da presso arterialmudanas no comportamento (sede, fome, saciedade).


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TERMORREGULAO

Os msculos esquelticos tremem para produzir calor quandoa temperatura corporal muito baixa.

Quando a temperatura muito alta o suor arrefece o corpo porevaporao.

O aumento da freqncia respiratria aumenta dissipao docalor

Outra forma de gerar calor envolve o metabolismo degordura.


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CONTROLE DACALCEMIA


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CONTROLE DAGLICEMIA


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A AO DA INSULINA


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Voc entender que manter a homeostase manter o

equilbrio necessrio vida.


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A bioenergtica a instncia da bioqumica que aborda atransferncia converso e utilizao da energia em

sistemas biolgicos.

Para tanto, lana mo de subsdios da qumica e,sobretudo da fsica no sentido de melhor explicar esseseventos no meio biolgico.

Um conceito fundamental em bioenergtica o de energialivre (G), um conceito pertinente termodinmica, (doGrego , therme, significa "calor" e , dunamis,

significa "potncia"). o segmento da Fsica que abordaos efeitos da mudana nos valores de temperatura,presso e volume em sistemas fsicos na escalamacroscpica. De forma genrica,calor significa "energia"em trnsito, e dinmica se relaciona com "movimento"


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Termodinmica estuda omovimento da energia e como aenergia cria movimento

L i d t di i


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Leis da termodinmicaPrimeira lei: Lei da conservao de energia: Numamodificao qumica ou fsica, a quantidade total deenergia no universo permanece constante, embora a

forma de energia possa mudarAs clulas so transdutoras de energia: capazes de

converter energia qumica, eletromagntica, mecnicae osmtica com muita eficincia (funcionam a

temperatura constante)Segunda lei: Em todos os processos naturais a entropia

do universo aumenta

Definio rigorosa de entropia: consideraesestatsticas e de probabilidade

Qualitativamente pode ser descrita como desordem

ou caosmanifestada de vrias maneiras

Exemplo 1: OXIDAO DA GLICOSE


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Exemplo 1: OXIDAO DA GLICOSE

Exemplo 2:INFORMAO E

ENTROPIA:Palavras=Informao=entropia negativa

AlfabetoRico em entropiae sem informao


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ORGANISMOS VIVOS SOALTAMENTE ORDENADOS,

ESTRUTURAS NO

RANDMICAS,IMENSAMENTE RICOS EMINFORMAO E, ENTOPOBRES EM ENTROPIA

VIOLAO DA SEGUNDA LEI?

Sistema aberto

Matria Energia

VIZINHANA

Seres vivos so sistemasabertos, que trocam matria(nutrientes e produtos deexcreo) e calor (do

metabolismo) com seu meio enunca esto em equilbrio

Organismo + meio = universoEntropia do universo

QUESTO CENTRAL DA BIOENERGTICA


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QUESTO CENTRAL DA BIOENERGTICAMecanismos pelos quais a energia dos alimentos ou dacaptura da energia solar acoplada s reaes que

requerem energia

A frao de energia disponvel para realizar trabalho =energia livre de Gibbs (G)

Ela sempre menor do que a energia teoricamenteliberada. Uma arte dissi ada como calor de fricco

A energia que a clula pode e deve usar aenergia livre de Gibbs: prediz a direo da reao e a

quantidade de trabalho

Acoplamento energtico em um processo qumico


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Acoplamento energtico em um processo qumico

Se o produto tem menor G do que o reagente: a reaolibera energia, disponvel para realizar trabalho: G = (-

) Reao exergnicaAo contrrio: G = + Rea o ender nica

Cada composto tem um certo potencial energtico (G:energia livre) que depende do tipo e do nmero de

ligaes em sua molcula

DEFINIO DE G (Energia livre de Gibbs)


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DEFINIO DE G (Energia livre de Gibbs)

G = H - TSG = Energia livre:Energia capaz derealizar trabalho

durante uma

reao a T e Pconstante:Se a reao libera

energia livreG = (-)

exergnicoSe ganha energia

livreG = (+)

endergnico

S = Entropia:expresso

quantitativapara desordem

e caos:Se os produtosso menos

complexos emais

desordenados:ganho deentropiaS = (+)

H = Entalpia:contedo de calorde um sistema dereao; reflete o

nmero e o tipode ligaes nosreagentes eprodutos

H reg > H prod:H = (-)exotmico

H reg H prod:H = (+)

endotrmico

Dois processos espontneos: um Dissoluo doOxidao do


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p pendotrmico e outro

exotrmico!

Dissoluo doNaCl

NaCl(s) Na+(d) + Cl(d)

Oxidao dohidrognio

H2(g) +O2(g) H2O()


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Definio de caloria: energia necessria para aquecer 1


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Substncia Energia produzida

kJ mol-1 kJ g-1 kcal g-1 kcal g-1 pesofresco

Glicose 2.817 15,6 3,7 -

Lactato 1.364 14,2 3,6 -

cido palmtico 10.040 39,2 9,4 -

Glicina 979 13,1 3,1 -

Carboidratos - 16 3,8 1,5

Gorduras - 37 8,8 8,8

Energia produzida a partir daoxidao completa de vrioscompostos orgnicos a dixido

de carbono e guaVariao de entalpia H

medida em um calormetro(calor liberado)

Definio de caloria: energia necessria para aquecer 1grama de gua de 14,5 para 15,5C

D fi i d j l (J)


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Considerando que a fora gravitacional da terra igual a9,81 N, levantar uma massa de 1 kg por um metro a

partir da superfcie ir despender um trabalho de 9,18J.

Definio de joule (J)

Quantidade de trabalho para deslocar um ponto,sob o qual est aplicado uma fora de 1 newton,

por um metro na direo da fora aplicada

100 g ma

Levantar

1 metro

dispender

1 J

Como medir o G das reaes que ocorrem nas clulas?


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Glicose 2lactato + H+ G= -196 kJ mol-1 de glicose

G-20,9

+2,2

-17,2

-22,8

+7,9-16,7

+4,7

-3,2

-23,0

m m r G a r a qu c rr m na c u a ?

RELAO ENTRE A ENERGIA LIVRE PADRO DE


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RELAO ENTRE A ENERGIA LIVRE PADRO DEUMA REAO QUMICA E A CONSTANTE DE

EQUILBRIO

aA + bB cC + dDba

dc

K

]B[[A]

]D[]C[eq

a, b, c e d= nmero de molculas

[A], [B], [C] e [D]= concentrao molar dosComponentes da reao no ponto de equilbrio

Quando o sistema de reao no est em equilbrioa tendncia de se mover em direo ao equilbriorepresenta uma fora, cuja magnitude pode ser

expressa como a variao de energia livre para a=


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Q d [A] [B] [C] [D] 1M


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Quando [A], [B], [C] e [D] = 1M;T=298K (25C); P=1 atm

A fora que dirige osistemaem direo ao equilbrio

definido como:

Variao de energia livrepadro (G)

Na clula [H+]=10-7 e[H

2O]=55.5M

Nestas condies:constantes padres

transformadasGe Keq

Relao entreGe Keq:

G= -RTln Keq

Relao entre G e Keq e direo da reao


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Quando Keq G Direo com 1M dereagentes e produtos

1.0 Negativo Procede adiante= 1.0 Zero Em equilbrio =

< 1.0 Positivo Procede no reverso

Relao entre G e K eq e direo da reaoqumica em condies padres

aA + bB cC + dDba

dc

K

]B[[A]

]D[]C[eq

Relao entreGe Keq:

G = -RTln Keq

EXEMPLO DE CLCULO DE Keq e G


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Glicose 1-fosfato glicose 6-fosfatoIncio: 20 mM glicose 1-fosfato e 0mM glicose 6-fosfato

Final: 1 mM glicose 1-fosfato e 19 mM glicose 6-fosfato

19

mM1

mM19

P]-1[Glicose

]P-6Glicose[eq' K

G = -RTln KeqG = -(8,315 J/mol.K)(298K)(ln19)G = -7.296 J/mol = -7,3 kJ/mol

EXEMPLO DE CLCULO DE K eq e G

Significado:Se a reao ocorrer com 1.0M de glicose 1-P e

1.0M de glicose 6-P, a reao no sentido

Glicose 1-P

Glicose 6-P ser capaz de realizar trabalho nascondi es adres.

EXERCCIOS


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EXERCCIOS

Calcule o Gdas seguintes reaes catalizadas porenzimas a 25C e a pH 7,0 a partir de suas constantesde equilbrio1.Glutamato + oxaloacetato

aspartato + -cetoglutaratoKeq = 6,8 ;

Aspartato aminotransferase

2.Dihidroxiacetona-fosfato

gliceraldedo 3-fosfatoKeq = 0.0475;

Triose fosfato isomerase

3.Frutose 6-fosfato + ATP

frutose 1,6-bisfofato Keq = 254;

Fosfofrutoquinase

EXERCCIOS


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EXERCCIOS

Calcule o Gdas seguintes reaes catalizadas porenzimas a 25C e a pH 7,0 a partir de suas constantesde equilbrio1.Glutamato + oxaloacetato

aspartato + -cetoglutarato

Keq = 6,8 ; G =-4,75 kJ/mol

Aspartato aminotransferase

2.Dihidroxiacetona-fosfato

gliceraldedo 3-fosfato

Keq = 0.0475; G =+7,6 kJ/mol

Triose fosfato isomerase

3.Frutose 6-fosfato + ATP

frutose 1,6-bisfofato Keq = 254;G=-13,7 kJ/mol

Fosfofrutoquinase

EXERCCIOS: CLCULO DE G


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EXERCCIOS CLCULO DE G2. Um total de 30,5 kJ/mol necessrio para sintetizarATP a partir de ADP e Pi nas condies padres. Entretanto,aconcentrao fisiolgica de ATP, ADP e Pi nos neurnios diferente das condies padres. Calcule a variao de energialivre de hidrlise do ATP a 25em neurnios cujas concentraesde ATP, ADP e Pi so 2,59, 0,73 e 2,72 mM, respectivamente.

G = -30,5 kJ/mol + (0.008315 kJ/mol.K)(298K) xln (0.72 x 10-3)

G = -48,43 kJ/mol

0'

GG[A][B]

]D][C[lnRT

Nas condies celulares a variao de energia livre


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Nas condies celulares a variao de energia livredepende das concentraes dos reagentes e produtos(os quais nunca so 1M de cada um) e da temperatura

(37C)A variao de energia livre nas condies celulares =

G

Exemplo: Clculo de G para a reao:Frutose 6-fosfato glicose 6-fosfato se

[Frutose 6-P]=1,5M; [glicose 6-P]=0.5M G=-1.700 J/mol

A + B C + D 0'GG[A][B]

]D][C[lnRT

Aode

massas

,

700.1G

[1,5]

]5,0[ln98K)J/mol.K)(2(8,315 = -4.400 J/mol

,

Via glicoltica G G


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Via glicoltica G

-20,9

+2,2

-17,2

-22,8

+7,9-16,7

+4,7

-3,2

-23,0

kJ mol-1G

-27,2

-1,4

-25,9

-5,9

-4,4-1,1

-0,6

-2,4

-13,9

Os G de reaes seqenciais so aditivos


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Os G de reaes seqenciais so aditivosKeq1 = [B]/[A]

Keq2 = [C]/[B]

Keq3 = [C]/[A]

Keq3 =Keq1 x Keq2

Reao K G (kJ mol-11) Glicose 1-P Glicose 6-P 19 -7,292) Glicose 6-P Frutose 6-P 0,52 +1,62

3) Glicose 1-P Frutose 6-P 9,9 -5,67

Acoplamento de reaes


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Glicose + fosfato Glicose 6-P + H2O G = +13,8 kJ mol-1

ATP + H2O

ADP + fosfato,G

= -31 kJ mol-1

Glicose + ATP Glicose 6-fosfato + ADP, G = -17,2 kJ mol-1

0'

GG[A][B]

]D][C[lnRT

p

Para a reao ocorrer no sentido da formao de glicose 6-P, a[glicose] deve ser superior a 100mM e a da [glicose 6-P] menor do

que 1 mM

Na clula, essa reao ocorre acoplada hidrlise do ATP

A reao global ser:

Mecanismo de acoplamento: enzimasl h i


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pexemplo hexoquinase

Glicose + ATP Glicose 6-fosfato + ADP

Glicose + ATP + H2OGlicose + HPO4-(Pi) + ADP

Base qumica para a grande variao de energia livre


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q p g gassociada hidrlise do ATP

Energia livre padro de hidrlise de outros


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g pcompostos fosforilados e tiosteres

Energia livre padro de hidrlise de outros


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g pcompostos fosforilados e tiosteres


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Compostos biolgicos fosforilados de alta energia


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p g g

O ATP supre a energia para o transporte de ons


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p g p pou molculas atravs da membrana

][][ln

1

2t

S

SRTG

FS

SRTG

][

][ln

1

2t

Exemplo: transporte de

Na+ e K+pela Na+ K+ATPase

F=Constante de Faraday =(96.480 J/V. mol)

=Potencial eltrico

transmembrana =(0,05 a 0,2 V)

Citosol

Potencial demembrana

50 a 70 mV

Termodinmica do Transporte de sdio e potssio


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3Na+(int) + 2K+(ext) + ATP ADP + Pi + 3 Na+(ext) + 2K+(int)

zF

Na

NaG

int][

ext][lnRT)foraNatrans(

)07,0)(485,96)(1(10

140ln)310)(008314,0()foraNatrans( G

1kJmol6,13)foraNatrans( G

)07,0)(485,96)(1(5

100ln)310)(008314,0()dentroKtrans( G

1kJmol01)dentroKtrans( ,G

1kJmol8,42)dentrotransK(2)foratransNa(3)ionstotaltrans( GGG

A energia livre de hidrlise de ATP

]ATP[

]ADP][Pi[lnRTGG o Nas condies celulares G= -43,1 a57,5 kJ mol-1

O ATP pode doar grupos fosforil,


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pirofosforil e adenilil

G=-30,5 kJ/mol

G=-45,6 kJ/mol

Reao de adenililao na ativao de um cido graxo


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Acido graxo + CoA Acil-CoA,G

= +31,4 kJ mol-1

ATP + H2O

AMP + PPi,G = -45,6 kJ mol-1

PPi + H2O 2 Pi,G = -19,22 kJ mol-1

EXERCCIOS: CLCULO DE G DE REAES


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ACOPLADAS

3. Considerando as seguintes reaes parciais:1. GTP + H2O GDP + Pi G = -34,0kJ/mol

2. Succinil-CoA + H2O succinato + CoA G = -37,4kJ/mol3. Glicose 1-fosfato + H2O glicose + Pi G = -21,0 kJ/mol

A) O succinil-CoA poder ser formado por acoplamento com a reao1 nas condies padres? Escreva a reao global e calcule o valorde G da reao acoplada.

B) A glicose 1-fosfato poder ser formada por acoplamento com areao 1 nas condies padres? Escreva a reao global e calculeo valor de G da reao acoplada.

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