Universidade de São Paulo Instituto de Física Energia em Sistemas Biológicos Edi Carlos Sousa

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1 Universidade de São Paulo Instituto de Física Energia em Sistemas Biológicos Edi Carlos Sousa

2 Metabolismo Celular Cada reação que ocorre em um organismo vivo requer o uso de energia Energia: capacidade de realizar trabalho Metabolismo: a captura e uso de energia através de reações catabólicas e anabólicas Reação catabólica: quebra de moléculas em compostos mais simples Proteína aminoácidos Reação anabólica: construção de moléculas complexas (lipídios, proteínas, ácidos nucléicos, polissacarídeos) à partir de compostos menores

3 Produção de ATP A quebra da molécula de glicose produz energia que é transferida para outras moléculas (ATP). Produzida por organismos autotróficos fotossintetizantes. A energia é armazenada entre as ligações P (7 Kcal/mol de substância).

4 Respiração Celular A respiração aeróbica: requer oxigênio Ocorre na mitocôndria da célula 36 moléculas de ATP são produzidos C 6 H 12 O 6 + 6O 2 glicose + oxigênio 6 CO 2 + 6H 2O + 36 ATP dióxido de carbono + água + energia

5 Cada vez que ocorre a liberação de energia na respiração aeróbica, essa energia liga o fosfato inorgânico (Pi) ao ADP, gerando ATP. FALTANDO energia para a realização de trabalho. SOBRANDO energia durante a respiração celular + Energia Liberada A ligação do ADP com o fosfato é reversível. Sempre que é necessária energia para a realização de qualquer trabalho na célula, ocorre a conversão de algumas moléculas de ATP em ADP + Pi e a energia liberada é utilizada pela célula.

6 Energia em Reações Metabólicas Energia livre, ΔG, é uma indicação da energia química disponível a partir de uma reação. Entalpia, ΔH, é o calor de uma reação (energia de ligação). Entropia, ΔS, é uma medida de desordem. Um estado de baixa entropia = ordenado. Um estado desordenado = alta entropia ΔG = ΔH - TΔS Se ΔG = 0, a reação está em equilíbrio. Se ΔG < 0 (negativo), a reação é espontânea. Se ΔG > 0 (positivo), a reação realiza-se na ordem inversa da direção descrita. A energia livre diminuí durante uma transformação espontânea até um valor mínimo de G ( G = 0 ), onde o equilíbrio é atingido.

7 ΔG da reação depende de algumas condições: Estado padrão (ΔG ): Temperatura = 298 K Pressão = 1 atm Concentração = 1 Molar Estado Biológico Padrão (ΔG ): inclui uma concentração H + de 10-7 Molar (p/ ph 7) em vez de 1M. Como podemos calcular a variação de energia livre para as reações não no estado padrão? A + B C + D

8 Se a reação é apenas espontânea, isto é, ΔG o = 0, então K eq = 1 Se ΔG o < 0, então K eq > 1: reação exoenergética. Se ΔG o > 0, então K eq < 1: reação endoenergética.

9 A reação metabólica é a conversão de um composto químico em um outro no interior de uma célula viva. Uma enzima faz a conversão. Cada reação utiliza uma enzima diferente. Os reagentes são também chamados de substratos. Hidrólise do ATP Hidrólise do ATP ATP + H 2 O ADP + P i G o = -33kJ/mol

10 Energia de Ativação É a energia extra necessária para startar uma reação. desestabiliza as ligações químicas existentes obrigatória mesmo para reações exoenergéticas. Catalisadores: substâncias que reduzem a energia de ativação de uma reação

11 As energias de ativação para as reações de transferência de grupo fosforil são substancialmente maiores do que a energia livre de hidrólise de ATP.

12 Catálise Enzimática Enzimas são proteínas constituídas por longas cadeias de aminoácidos. E S ES EP E P O catalisador (neste caso a enzima): - Não modifica a Keq; - Não permite que ocorra uma reação que seja impossível do ponto de vista termodinâmico; - Permanece intacto no fim da reação; - Diminui a energia de activação necessária à reação, permitindo que esta decorra com maior velocidade.

13 Diagrama da Energia Livre #1 Glicose Energia livre (G) é a energia potencial em uma reação química energia disponível para realizar trabalho. Dióxido de Carbono + Água #1 os reagentes têm um nível mais elevado de energia livre do que os produtos.

14 Diagrama da Energia Livre Glicose #2 Dióxido de Carbono + Água A energia de ativação (E act ) é o empurrão necessário para reações para continuar necessária para quebrar as ligações. #2 um estado temporário em que ambas as ligações estão quebrando; reagentes e produtos estão formando ligações (passo intermediário).

15 Diagrama da Energia Livre #3 Glicose Dióxido de Carbono + Água #3 Declínio na energia livre global, a energia livre diminui nos reagentes à medida que se tornam produtos.

16 Diagrama da Energia Livre A reação é exotérmica. Glicose ΔG é negativo! Dióxido de Carbono + Água #4 #4 O produto está formado. A reação está completa. A energia livre global foi diminuída.

17 Diagrama Animado nimations/catalysis_energy/catalysis_energy.htm Obrigado.

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