Os organismos necessitam de um constante fornecimento de energia livre

•  Por que?

-  Biossíntese de moléculas complexas;

-  Transporte ativo de moléculas e íons c através de membranas;

-  Realização de Trabalho Mecânico: contração muscular, movimentos celulares...

Exergônico Endergônico

Vias Metabólicas Séries de reações consecutivas catalisadas enzimaticamente, que produzem produtos específicos (metabólitos). Note que: as vias são interconectadas (pontos de cruzamento).

Pontos importantes: - conhecer as principais avenidas (vias), - os cruzamentos mais importantes (intermediários comuns) e - como o fluxo nessas vias são controladas (regulação)...

Visão Geral do Catabolismo

Atividade catalítica depende da conformação proteica

Glucose

Se a Enzima é desnaturada ou dissociada em subunidades ela perde a atividade catalítica!!

Cofatores : compostos inorgânicos

Fe2+, Mg2+, Mn2+, Zn2+

Coenzimas : compostos orgânicos.

Normalmente derivado de vitaminas

Grupo Prostético - Componente químico adicional requerido por certas enzimas

-  Estão firmemente ligados às enzimas

Holoenzima = Apoenzima (porção proteica) + coenzima ou cofator

Cofatores : compostos inorgânicos (Fe2+, Mg2+, Mn2+, Zn2+)

Coenzimas : compostos orgânicos. (Normalmente derivado de vitaminas)

Código para Enzimas : EC 2.7.1.1.

Classificação São classificadas de acordo com o tipo de reação que catalisam

Classe Subclasse Transferase

Fosfotransferase

ATP glicose fosfotransferase

A função termodinâmica denominada de energia livre (G) é importante para compreender como as enzimas trabalham.

2. Como as enzimas trabalham?

Parâmetros termodinâmicos que deve-se considerar:

1) A variação de energia livre (∆G) entre produtos e reagentes

2) A energia necessária (energia de ativação) para iniciar a conversão dos reagentes em produtos

∆G: indica a espontaneidade da reação

Energia de ativação: determina a velocidade da reação

As enzimas afeta apenas a energia de ativação!

ΔG = ΔH -TΔS

ΔH - que reflete os tipos e o número de ligações químicas e interações não-covalentes quebrados e formados ΔS – que reflete a variação da desordem do sistema

Sob condições de temperatura e pressão constantes...

ΔG<0 (negativo) : Reações espontâneas > produtos têm menos energia livre que os reagentes, a qual pode ser utilizada para realizar trabalho –são reações exergônicas. ΔG >0 (positivo): Pecisam que seja fornecida energia – são reações endergônicas.

ΔG = ΔH -TΔS

ΔG’o negativo → G reagentes > G produtos

ΔG’o positivo → G reagentes < G produtos

Lembrem-se todas as reações químicas tendem a ocorrer no sentido que resulta na diminuição de energia livre do sistema.

Reação ocorre espontaneamente sob condições padrão.

Reação ocorre no sentido reverso, caso seja iniciada com a concentração 1 M (condições padrão)

Energia Livre de Ativação

No interior das células as reações químicas ocorrem devido à presença de enzimas

Enzimas: catalisadores capazes de aumentar

enormemente a velocidade de reações químicas específicas sem serem consumidos no processo. Elas dimimuem a energia de ativação.

Energia de ativação (ΔG*): energia extra necessária

para que a reação ocorra.

Enzimas afetam a velocidade mas não o equilíbrio químico

Reação Química : S P

1. Catalisador não afeta a posição e nem a direção do equilíbrio

2. Um equilíbrio favorável não significa que a conversão de S→P ocorra em uma velocidade mensurável

3. A velocidade depende da Energia de Ativação: “energia necessária para o alinhamento dos grupos químicos reagentes, formação de cargas transientes, rearranjos de ligações e outras transformações necessária para que a reação ocorra em uma das direções”

O equilíbrio da reação está relacionado à variação de energia livre padrão

Um grande valor negativo de ΔGo’ indica um equilíbrio de reação favorável á formação dos produtos, mas não significa que ela ocorra a uma velocidade considerável.

As enzimas fornecem um ambiente específico (SÍTIO ATIVO) onde uma dada reação é energeticamente mais fovorável.

Quimotripsina

SÍTIO ATIVO

Tamanho:

Enzima >>> Substrato

SUBSTRATO (ligante)

2. Como as enzimas trabalham?

Reação Química : S P

“Estado Fundamental” Ponto de Partida para a reação de ida ou de volta.

“Energia de Ativação”

Variação de Energia Livre Padrão Bioquímico

“Estado de transição”

Enzimas afetam a velocidade mas não o equilíbrio químico

E + S ↔ ES ↔ EP ↔ E + P

Enzimas aceleram a velocidade da reação diminuindo a energia de ativação

ENERGIA DE ATIVAÇÃO

(A enzima não é gasta no processo e não afeta o ponto de equilíbrio)

Formas complementares de um Substrato e seu Sítio Ativo (Chave-Fechadura, Emil Fischer)

“Complexo Enzima Substrato”

Diidrofolato Redutase

NADP+

Tetraidrofolato

Conceito chave-fechadura sugere um encaixe perfeito entre E e S.

O que resultaria numa enzima pouco eficiente!!

NADP+ liga-se a uma cavidade complementar à sua forma e propriedades iônicas.

O papel da energia de ligação para a catálise

1.  A energia de ligação confere especificidade e catálise.

2.  E + S → ES: A interações fracas formadas entre E e S fornecem a maior parte da energia necessária para a catálise.

Energia de ligação

Termodinamica das vias metabólicas

De onde vem essa energia??������

Como a célula obtém essa energia??

Vias Metabólicas

Séries de reações consecutivas catalisadas enzimaticamente, que produzem produtos específicos (metabólitos). Note que: as vias são interconectadas (pontos de cruzamento).

Pontos importantes: - conhecer as principais avenidas (vias), - os cruzamentos mais importantes (intermediários comuns) e

- como o fluxo nessas vias são controladas (regulação)...

ü São basicamente reações orgânicas.

ü São catalisadas enzimaticamente.

ü Específicas.

ü Devem ser termodinamicamente favoráveis.

Características das reações das vias metabólicas

G = Energia Livre

H = Entalpia

S = Entropia

T = Temperatura

Energia Livre: um indicador e espontaneidade

G = H - TS

Energia Livre de Gibbs

ΔG<0 (negativo) : Reações espontâneas (reações exergônicas). Energia livre dos produtos menor que dos reagentes

ΔG >0 (positivo): Só ocorre por meio de fornecimento de energia (reações endergônicas).

ΔG=0: Processos em equilíbrio (aqueles nos quais as reações direta e inversa estão perfeitamente balanceadas).

ΔG = ΔH -TΔS

aA + bB cC + dDaA + bB cC + dD

ΔG + RT ln = ΔG’o [C]c [D]d

[A]a [B]b

A variação de energia livre para uma reação química depende das concentrações dos seus reagentes e produtos.

Termo constante

Termo Variável

ΔG + RT ln = ΔG’o [C]c [D]d

[A]a [B]b

ΔGo: Variação de Energia Livre Padrão

Condições padrão: T = 298 K (25 °C), P = 1 atm [Reagentes]=[Produtos]= 1 M pH=0 ([H+]=1M)

ΔG’o: Variação de Energia Livre Padrão Bioquímico

No padrão bioquímico: T = 298 K (25 °C), P = 1 atm [Reagentes]=[Produtos]= 1 M pH= 7

Nos organismos vivos... a maioria das reações químicas ocorre em soluções aquosas devidamente tamponadas com valores de pH ~ 7

1. Depende da Natureza dos Reagentes e Produtos

ΔG + RT ln = ΔG’o [C]c [D]d

[A]a [B]b

aA + bB cC + dDaA + bB cC + dDü Os valores de ΔG para a reação variam de acordo com as concentrações relativas de reagentes e produtos presentes no sistema (p. ex. na célula).

ü Ou seja, em sistema biológico, a direção da reação catalisada enzimaticamente vai depender da disponibilidade de seus substratos (reagentes) e da demanda metabólica de seus produtos.

2. Depende da Concentração dos Reagentes e Produtos

ΔG + RT ln = ΔG’o [C]c [D]d

[A]a [B]b

Em condições de equilíbrio da reação → ΔG=0 Portanto:

ΔG + RT ln = ΔG’o [C]c [D]d

[A]a [B]b

RT ln = ΔG’o [C]c [D]d

[A]a [B]b [ ] no equilíbrio

RT ln = ΔG’o Keq

-2,3RT log = ΔG’o Keq

ou

ou

Keq = 1 → rç em equilíbrio → ΔG’o = zero

Keq <1 → ocorre na direção dos reagentes → ΔG’o positivo

Keq >1 → rç ocorre na direção dos produtos → ΔG’o negativo

Significa que: [C][D] = 1000 x [A][B]

Tabela que relaciona K’eq e ΔGo’

Em condições padrões Padrão bioquímico: T = 298 K (25 °C), P = 1 atm [Reagentes]=[Produtos]= 1 M pH= 7

aA + bB cC + dDaA + bB cC + dD

ΔG + RT ln = ΔG’o [C]c [D]d

[A]a [B]b

Em condições NÃO padrões... A direção da reação depende do ΔG, que por sua vez depende das concentrações relativas de reagentes e produtos.

Reações Acopladas

O acoplamento de Processos Endergônicos e Exergônicos, faz

com que a reação seja impelida no sentido de sua conclusão.

Acoplamento de energia em processos mecânicos

Acoplamento de energia em processos químicos

Reação ENDERGÔNICA (requer energia) ΔG POSITIVO

ΔG da Reação total (Reação 1 acoplada a Reação 2)

Variações de energia livre padrão são aditivas

ATP

•  Moeda de energia celular.

•  Intermediário de “alta energia” que age como doador de energia livre para a maioria dos processos que requerem energia.

ATP

Adenina

Ribose

Grupos Fosforila (-PO32-)

Variação de Energia Livre Padrão da Hidrólise do Fosfato para Alguns Compostos de Interesse Biológico

Ligações cujas hidrólises ocorrem com valores de ΔGo’ muito negativos (em geral, mais negativos que -25 kJ.mol-1) em geral são denominadas ligações de “alta energia” ou “ricas em energia”

Por que a Hidrólise do ATP é tão exergônica??

Bases químicas que justificam a alto valor negativo de ΔG’o para a hidrólise do ATP

1. A hidrólise, por causar separação de carga, alivia a repulsão eletrostática entre as 4 cargas negativas do ATP

2. O fosfto inorgânico (Pi) liberado pela hidrólise é estabilizado pela formação de um híbrido de ressonância.

Embora a hidrólise do ATP seja altamente exergônica a molécula é CINETICAMENTE ESTÁVEL em pH 7

Por que??? Energia de Ativação

relativamente alta

A hidrólise do ATP ocorre apenas mediante CATÁLISE ENZIMÁTICA

As QUINASES são as enzimas responsáveis pela transferência de um grupo fosfato de um composto de alta energia para uma outra molécula receptora.

Além do ATP existem outros compostos de “Alta Energia”

Variação de Energia Livre Padrão da Hidrólise do Fosfato para Alguns Compostos de Interesse Biológico

Fosfoenolpiruvato

Fosfoguanidinas

Transferência de grupos fosfato

ü Grande parte do catabolismo é direcionada para a síntese de compostos de fosfato de alta energia.

ü Essa é uma forma de ativar os compostos para sofrer transformações químicas subsequentes.

ü A transferência de um grupo fosfato injeta energia livre nele.

O ATP ocupa uma posição intermediária nas reações de transferência de grupos fosforila

Assim ele funciona como um “transmissor” de energia livre entre doadores de fosfato de “alta energia” e aceptores de fosfato de “baixa energia”.

Por exemplo, o ATP transfere um grupo fosfato para a glicose, convertendo-a em uma molécula (glicose-6-fosfato) de maior conteúdo de energia livre.

Em geral as reações altamente exergônicas de transferência de fosforila estão acopladas a formação de ATP

Transferência de elétrons

Energia da luz é convertida em energia de ligação

Heterotrofos extraem a energia a partir da energia contida nas ligações químicas

Redução: CO2 → glicose Oxidação: glicose → CO2

Plantas Animais

ü Processos envolvendo transferência de elétrons, são de imenso significado bioquímico.

ü Os seres vivos obtêm a maior parte de sua energia livre dessas reações

ü Exemplo: Na fotossíntese o CO2 é reduzido e H2O é oxidada produzindo carboidratos e O2. O processo é endergônico e a energia necessária provem da luz solar.

ü No metabolismo aeróbico a reação da fotossíntese é essencialmente revertida.

ü A energia liberada durante a oxidação do nutriente é convertida em ATP e uma outra parte é transferida na forma de elétrons para coenzimas carreadoras de elétrons (NADH , NADPH, e FADH2).

ü A coenzima reduzida é rica em energia. Por exemplo a oxidação de um NADH a NAD+ fornece energia suficiente para gerar 3 ATPs.

Fontes de ATP

1. Fosforilação no nível do substrato: Transferência de grupos fosfato a partir de um composto de alta energia.

2. Fosforilação oxidativa e fotofosforilação: ATP é gerado por meio de um gradiente de concentração de prótons (H+) através de uma membrana. Esse gradiente é gerado pelo metabolismo oxidativo e pela fotossíntese.

3. Reação da adenilato quinase: esta enzima converte AMP + ATP em 2 ADPs. Posteriormente o ADP é convertido em ATP.

Em geral as reações altamente exergônicas de transferência de fosforila estão acopladas a formação de ATP

Transferência de elétrons

Energia da luz é convertida em energia de ligação

Heterotrofos extraem a energia a partir da energia contida nas ligações químicas

Redução: CO2 → glicose Oxidação: glicose → CO2

Plantas Animais

ü Processos envolvendo transferência de elétrons, são de imenso significado bioquímico.

ü Os seres vivos obtêm a maior parte de sua energia livre dessas reações

ü Exemplo: Na fotossíntese o CO2 é reduzido e H2O é oxidada produzindo carboidratos e O2. O processo é endergônico e a energia necessária provem da luz solar.

ü No metabolismo aeróbico a reação da fotossíntese é essencialmente revertida.

ü A energia liberada durante a oxidação do nutriente é convertida em ATP e uma outra parte é transferida na forma de elétrons para coenzimas carreadoras de elétrons (NADH , NADPH, e FADH2).

ü A coenzima reduzida é rica em energia. Por exemplo a oxidação de um NADH a NAD+ fornece energia suficiente para gerar 3 ATPs.

Fontes de ATP

1. Fosforilação no nível do substrato: Transferência de grupos fosfato a partir de um composto de alta energia.

2. Fosforilação oxidativa e fotofosforilação: ATP é gerado por meio de um gradiente de concentração de prótons (H+) através de uma membrana. Esse gradiente é gerado pelo metabolismo oxidativo e pela fotossíntese.

3. Reação da adenilato quinase: esta enzima converte AMP + ATP em 2 ADPs. Posteriormente o ADP é convertido em ATP.