Tcnicas de Purificao e Caracterizao de Protenas

UNIVERSIDADE FEDERAL DO OESTE DA BAHIAINSTITUTO DE CINCIAS AMBIENTAIS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTVEL BARREIRAS

BIOENERGTICA E METABOLISMOProfa. Katyscya Veloso Leo IntroduoAs clulas e os organismos precisam realizar trabalho para manter a prpria vida, para crescerem e para se reproduziremA capacidade de controlar a energia e dirigi-la para a realizao de trabalho biolgico uma propriedade fundamental de todas as clulas e organismos vivos e que deve ter sido adquirida muito cedo no curso da evoluo celularOs organismos atuais executam uma notvel variedade de transdues da energia, convertendo uma forma de energia em outraEles utilizam a energia qumica contida nos combustveis biolgicos para sintetizar, a partir de precursores simples, molculas complexas e altamente organizadas2IntroduoEles tambm convertem essa energia qumica em gradientes de concentrao e eltricos, em movimento e calor, e, em alguns organismos tais como o vaga-lume e peixes do fundo do mar, em luzOs organismos fotossintticos transformam energia luminosa em todas essas formas de energia3Bioenergtica e termodinmicaBioenergtica o estudo quantitativo das transdues da energia que ocorrem nas clulas vivas, bem como da natureza e funo dos processos qumicos envolvidosNo sculo XIX, duas leis fundamentais da termodinmica foram formuladas sobre a interconverso das diferentes formas de energia:Primeira lei: para qualquer transformao fsica ou qumica, a quantidade total de energia no universo permanece constante; a energia pode mudar de forma ou ser transportada de uma regio para outra; entretanto, ela no pode ser criada ou destrudaSegunda lei: em todos os processos naturais, a entropia do universo aumenta4Bioenergtica e termodinmicaOs organismos vivos consistem de conjuntos de molculas, cujo grau de organizao muito maior que o dos materiais do seu meio ambiente e com os quais eles so formados, e tambm produzem e mantm organizao, aparentemente ignorando a segunda lei da termodinmicaEntretanto, os organismos vivos no violam a segunda lei e operam em estrita concordncia com elasO sistema reagente a coleo de matria que est sofrendo um determinado processo fsico ou qumico; ele pode ser um organismo, uma clula ou os dois compostos reagentesJuntos, o sistema reagente e o seu meio ambiente constituem o universo5Bioenergtica e termodinmicaNo laboratrio, alguns processos fsicos ou qumicos podem ocorrer em sistemas fechados ou isolados, sem nenhuma troca de matria ou energia com o meio ambienteAs clulas e os organismos vivos, entretanto, constituem sistemas abertos, trocando tanto matria quanto energia com o ambiente, com o qual jamais atingem o equilbrioAssim, a constante interao entre sistema e ambiente explica como os organismos podem criar ordem interna, ao mesmo tempo que operam de acordo com a segunda lei da termodinmica6Bioenergtica e termodinmicaAs unidades de G (energia livre de Gibbs) e H (entalpia) so joules/mol ou calorias/mol, e a unidade de entropia joules/mol K (J/mol K)Sob as condies as condies existentes nos sistemas biolgicos, incluindo-se temperatura e presso constantes, as variaes na energia livre, entalpia e entropia esto quantitativamente relacionadas entre si pela equaoG = H TS

7Algumas constantes fsicas e unidades utilizadas em termodinmicaBioenergtica e termodinmica

8Bioenergtica e termodinmicaA segunda lei da termodinmica refere-se a um aumento na entropia do universo durante todos os processos fsicos e qumicos, embora esse aumento no ocorra necessariamente no prprio sistema reagenteA ordem produzida dentro das clulas medida que elas crescem e se dividem mais que compensada pela desordem que elas criam nos seus ambientes no curso dos acontecimentosEm resumo, os organismos vivos preservam a ordem interna pela captao de energia livre do ambiente nas formas de nutrientes ou luz solar, devolvendo para ele uma quantidade igual de energia nas formas de calor e entropia9Estados-padro e energia livreA termodinmica lida com as variaes de energia que determinam se algum processo ocorrerEm um processo espontneo, a energia livre diminui (G < 0)Em um processo no-espontneo, a energia livre aumenta (G > 0)A variao de energia G, e sob qualquer conjunto de condies, pode ser comparada com a variao de energia livre nas condies-padro (G)10Estados-padro e energia livrePara uma dada reao:

A + B C + D

A variao de energia livre sob condies-padro pode ser relacionada constante de equilbrio da reao:

G= RT ln Keq

11Estado-padro modificado para aplicaes bioqumicasO interior de uma clula viva , em vrios aspectos, uma soluo aquosa dos componentes celulares e o pH de tal sistema est normalmente no intervalo neutroVisto que as reaes bioqumicas no ocorrem de forma natural em condies-padro clssicas, [H+]= 1M, um estado bioqumico-padro (G) utilizado freqentemente[H+] = 1 107 M (pH = 7,0)Assim,

12Relao entre os valores de Keq e G e o sentido das reaes qumicas sob condies-padroEstado-padro modificado para aplicaes bioqumicas

13MetabolismoClulas vivas dependem de um sistema complexo, regulado e maneira intrincada, de reaes qumicas que produzem e utilizam energiaAs reaes das biomolculas nas clulas constituem o metabolismoA decomposio de molculas maiores em molculas menores chamada de catabolismoA reao de molculas pequenas para produzir molculas maiores e mais complexas chamada de anabolismoO catabolismo e o anabolismo so vias separadas, e no o oposto uma da outra14MetabolismoO catabolismo um processo oxidativo que libera energiaO anabolismo um processo redutivo que requer energia

15Relaes energticas entre as vias catablicas e anablicas.As vias catablicas liberam energia qumica nas formas de ATP, NADH, NADPH e FADH2. Esses carreadores de energia so utilizadas pelas vias anablicas para converter pequenas molculas precursoras em macromolculas celulares

16Oxidao e reduo envolvidos no metabolismoAs reaes de oxidorreduo (redox) so aquelas em que os eltrons so transferidos de um doador a um aceptorA oxidao a perda de eltrons e a reduo o ganho de eltronsA substncia que perde eltrons (o doador) chamada de agente redutorA substncia que ganha eltrons (o aceptor) chamada agente oxidante17Oxidao e reduo envolvidos no metabolismoUm exemplo de reao de oxidorreduo a que ocorre entre zinco metlico em soluo aquosa de ons cobre:Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s)Tem-se duas meias reaes:

Zn Zn2+(aq) + 2e (agente redutor)Cu2+(aq) + 2e Cu(s) (agente oxidante)18Oxidao e reduo envolvidos no metabolismoEm vrias reaes redox biolgicas, o estado de oxidao de um tomo de carbono alteradoDa forma mais reduzida (alcano) para a forma mais oxidada (CO2)

19Coenzimas em reaes de oxidorreduoReaes de oxidorreduo so mais bem detalhadas em cursos de qumica geral e inorgnicaOxidao de nutrientes por organismos vivos requer um tratamento especialPor exemplo:Meia reao de oxidao para a converso de etanol em acetaldedo

20Coenzimas em reaes de oxidorreduoOutro exemplo de uma meia reao de oxidao a converso de NADH (forma reduzida de nicotinamida adenina dinucleotdeo), para a forma oxidada, NAD+Essa substncia uma coenzima importante em vrias reaesOutro importante aceptor de eltrons o FAD (flavina adenina dinucleotdeo), que a forma oxidada do FADH221Coenzimas em reaes de oxidorreduo

22Coenzimas em reaes de oxidorreduo

23

Coenzimas em reaes de oxidorreduo

24Coenzimas em reaes de oxidorreduoAs equaes que envolvem NADH para NAD+ e de etanol para acetaldedo podem ser escritas como: NADH NAD+ + H+ + 2e CH3CHO + 2H+ + 2e CH3CH2OH NADH + H+ + CH3CHO NAD+ + CH3CH2OH

A oxidao dos nutrientes para fornecer energia para um organismo no pode ocorrer sem a reduo de algum aceptor de eltrons25Produo e energia acopladosO acoplamento de reaes que geram energia e exigem energia o aspecto central no metabolismo de todos os organismosNo catabolismo, as reaes oxidativas so acopladas produo endergnica de ATP pela fosforilao do ADPA fosforilao do ADP para produzir ATP requer energia, que pode ser fornecida pela oxidao de nutrientes26Hidrlise do ATP

27Produo e energia acopladosA hidrlise do ATP para ADP libera 30,5 kJ mol1 quando necessriaA ligao que hidrolisada nessa reao chamada de ligao de alta energia, indicando que na hidrlise h a liberao de uma quantidade utilizvel de energiaO fosfoenolpiruvato (PEP) outro organofosfatado que libera uma quantidade muito grande de energia28Hidrlise do fosfoenolpiruvato (PEP)Produo e energia acoplados

29Hidrlise do 1,3-difosfogliceratoProduo e energia acoplados

30Hidrlise da fosfocreatinaProduo e energia acoplados

31

Produo e energia acopladosValores de energia livre-padro de hidrlise de alguns compostos fosforilados e da acetil-coezima A (um tioster)32Variaes de energia livre padro de algumas espcies qumicas em pH 7,0 a 25C (298K)

33Produo e energia acopladosA energia de hidrlise do ATP no energia armazenada, mas produzida quando for necessrioO ciclo do ATP e do ADP nos processos metablicos uma forma de deslocar energia de sua produo at o local onde ser utilizadoA energia qumica armazenada geralmente na forma de gorduras e carboidratosA energia que deve ser fornecida para as vrias reaes endergnicas nos processos vitais vem diretamente do ATP e indiretamente da oxidao de nutrientes34Hidrlise do ATP em duas etapas:A contribuio do ATP para uma reao geralmente mostrada como apresentando uma etapa, mas quase sempre ela apresenta duas etapasA figura mostra a reao catalisada pela glutamina sintase, uma enzima dependente de ATP. (1) O grupo fosforila transferido do ATP para o glutamato, (2) sofrendo, a seguir, deslocamento por NH3 e sendo liberado na forma de Pi

35Produo e energia acopladosDois exemplos para o uso do ATP:A converso da glicose a ons lactato em vrias etapas um processo exergnico e anaerbicoDuas molculas de ADP so fosforiladas a ATP para cada molcula de glicose metabolisada

Glicose + 2ADP + 2Pi 2 ons lactato + 2ATPG total = 184, 5 + 61,0 = 123, 5 kJ mol136Produo e energia acopladosA decomposio da glicose mais completa sob condies aerbicas do que sob condies anaerbicasOs produtos finais da oxidao aerbica so seis molculas de CO2 e seis molculas de H2O para cada molcula de glicoseAt 32 molculas de ADP podem ser fosforiladasa ATP quando uma molcula de glicose decomposta

Glicose + 6O2 + 32ADP + 32Pi 6CO2 + 6H2O + 32ATPG total = 2.867 + 976 = 1.891 kJ mol137Produo e energia acoplados

38Coezima A na ativao de vias metablicasA oxidao metablica da glicose no ocorre em uma s etapaA decomposio anaerbica da glicose requer vrias etapas, e a oxidao aerbica completa a dixido de carbono ainda mais longaUm dos pontos mais importantes sobre a natureza das vrias etapas de todos os processos metablicos presena de vrios estgios que permitem a produo e o uso eficientes de energia39Coezima A na ativao de vias metablicasUma etapa encontrada com freqncia no metabolismo o processo de ativao, onde um metablito ligado a outra molcula (coenzima) e a variao de energia livre para a quebra dessa nova ligao negativaUm dos exemplos mais interessantes nas etapas de ativao o do uso da coenzima A (CoA)A estrutura da CoA complexa:Uma parte 3-P-5-ADP (derivado da adenosina) e a outra derivada do cido pantotnico ligada a um grupo tiol40Coezima A na ativao de vias metablicas

41Coezima A na ativao de vias metablicas

42Hidrlise da acetil-coezima ACoezima A na ativao de vias metablicas

43Trs tipos de vias metablicas no-lineares:Convergente, catablica;Divergente, anablica;Cclica, na qual um dos compostos de partida regenerado e reingressa na via

44Coezima A na ativao de vias metablicas

45