nutrientes 1 Reacções de redox nos seres vivos As reacções de oxi-redução costumam definir-se como reacções em que há transferência de electrões.

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1 Reacções de redox nos seres vivos As reacções de oxi-redução costumam definir-se como reacções em que há transferência de electrões. nutrientes 1 Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu...mas também se podem definir como reacções em que há variação do número de oxidação em cada um dos pares redox envolvidos na reacção. Cu 2+ + Zn Zn 2+ + Cu Cu 2+ Zn Zn 2+ 2 Cu Nas reacções de oxi-redução há variação no número de oxidação de um ou mais elementos dos reagentes. Para determinar o número de oxidação (n.o.) de um elemento: 1- Atribuem-se os electrões envolvidos na ligação ao elemento mais electronegativo. 2- Um determinado átomo terá um n.o. negativo se recebe electrões dos átomos vizinhos: o valor numérico corresponde ao número de electrões que recebeu ; no caso inverso o n.o. é positivo o C é mais electronegativo que o H atribuem-se os electrões envolvidos na ligação ao C. 2- o C recebe 4 electrões n.o. do C = cada um dos átomos de H perdeu 1 electrão para o C n.o. do H = No monóxido de carbono o n.o. do C é +2 e o do oxigénio 2. No dióxido de carbono o n.o. do C é +4 e o do oxigénio 2. O n.o. do carbono do formol (metanal) é zero: perde 2 electrões para o O mas ganha 2 dos H. 4

2 Quando, na glicólise, a glicose se converte em ácido pirúvico, dizemos que a glicose se oxida... Regra simples para calcular, a partir da fórmula molecular, o número de oxidação médio dos carbonos da maioria dos compostos orgânicos n.o.= +1 n.o.= 0 n.o.= 0 n.o.= 0 n.o.= 0 n.o.= -1 n.o. médio = 0 n.o.= +3 n.o.= +2 n.o.= -3 n.o. médio = + 2/3 5 n.o. médio = Caso ácido pirúvico Caso ião piruvato (O X 2) + (N X 3) + (S X 2) H + carga da molécula C 3 H 4 O 3 n.o. médio = [3 X 2 4]/3 = + 2/3 C 3 H 3 O 3 - n.o. médio = [3 X 2 3-1]/3 = + 2/3 C carga negativa número negativo 6 As reacções de dissociação protónica (ácido-base) não são reacções de oxi-redução. ac. pirúvico piruvato + protão Pelo contrário, quando uma substância perde átomos de hidrogénio (os electrões e os protões) diz-se que se oxida... Os electrões dos H ligados ao carbono 1 do etanol estavam atribuídos a esse carbono. Quando esses hidrogénios saem formando-se o etanal, esses electrões deixam de pertencer a esse carbono. n.o. = -1 n.o. = + 1 No ácido pirúvico o electrão que pertencia ao hidrogénio já estava atribuído ao oxigénio onde se ligava. Quando o protão sai, o electrão que fica no anião piruvato continua atribuído ao oxigénio. 7 2 H + 8

3 Na reacção em que o etanal passa a ácido acético pode parecer que quem se oxida (perde os hidrogénios) é a água......mas o n.o. dos átomos do O e do H não varia. As reacções de hidrólise também não são reacções de oxi-redução. n.o.= +2 n.o.= +1 n.o. = +1 2 H + n.o. = + 3 O elemento que sofre aumento no n.o. é o C1 do etanal n.o.= +2 n.o.= A transformação 2-fosfoglicerato fosfoenolpiruvato + evidencia o carácter convencional da classificação das reacções. O C2 oxida-se (0 +1) haveria uma oxidação O C3 reduz-se (-1-2) haveria uma redução O n.o. médio dos carbonos (2/3) não varia não é reacção redox - e - e - n.o. = 0 n.o. = - ½ O n.o. do oxigénio é zero no e -2 na maioria dos casos mas... n.o. = 0 n.o. = +1 H 2 e - n.o. = - 1 OH - n.o. = - 2 n.o. = -1 n.o. = OH 12

4 As enzimas que catalisam reacções de oxi-redução classificam-se como oxi-redútases: Embora a nomenclatura que se aplica às enzimas não siga normas rígidas algumas ideias podem ser úteis. Exemplos de nomes associados a oxi-redútases: 1) As desidrogénases catalisam reacções do tipo: AH2 + NAD + NADP + FAD FMN desidrogénase de AH2 A + NADH NADPH FADH2 FMNH2 Desidrogénases Redútases Oxídases Oxigénases Peroxídases Catálase Dismútases dinucleotídeos são substratos é o oxidante directo o H 2 é reduzido a água... catalisam reacções de dismutação Exemplo: desidrogénase da glicose-6-p n.o. = +1 H + n.o. = +3 Dissemos que, independentemente do sentido directo ou inverso em que a reacção ocorre, quando um composto orgânico (AH2) é oxidado pelo NAD + a enzima que catalisa a reacção chama-se desidrogénase do AH2. H + desidrogénase do lactato NADP + NADPH mas há uma excepção... NADH + Q NAD + + QH 2 15 Glicose-6-P + NADP + 6-fosfogliconolactona + NADPH + H + 16 desidrogénase do NADH

5 2) A maioria das redútases catalisa reacções do mesmo tipo das desidrogénases mas o redutor é o NADPH... A + n.o. = -1 NADH NADPH FADH2 FMNH2 redútase do A Exemplo: redútase do glutatião AH2 + NAD + NADP + FAD FMN NADPH NADP + H + H + n.o. = ) As oxídases catalisam reacções em que o é um dos reagentes que se reduz a, a peróxido de hidrogénio (H 2 ) ou a superóxido ( - ). Em qualquer dos casos o n.o. do que era zero diminui... 2 cyt. c (Fe 2+ )+½ 2 cyt. c (Fe 3+ )+ oxídase do citocromo c n.o. = -2 protoporfirinogénio + oxídase do protoporfirina +H 2 protoporfirinogénio n.o. = -1 NADPH + 2 NADP + +2 O - oxídase da NADPH 2 n.o. = - ½ 18 A oxídase mais conhecida é a oxídase do citocromo c, uma enzima da cadeia respiratória também conhecida como complexo IV. A oxídase menos conhecida é a luciférase do pirilampo. 84% 2 2 Fe 3+ Fe 2+ ½ 2 H + n.o. = 0 n.o. = % Firefly luciferase produces H 2 as a coproduct in dehydroluciferyl-adenylate formation Hugo Fraga, Diogo Fernandes, Jiri Novotny, Rui Fontes and 20 Joaquim C.G. Esteves da Silva

6 4) As monooxigénases (também chamadas oxigénases de função mista) catalisam reacções em que o é o oxidante directo, sendo que um dos átomos de oxigénio se vai incorporar num composto orgânico que é oxidado e o outro vai formar água. Exemplo: a hidroxílase da fenilalanina São frequentemente chamadas hidroxílases; neste caso seria hidroxílase do VH VH VOH fenilalanina tirosina WH2 W 21 tetrahidrobiopterina dihidrobiopterina 22 Em geral, as monooxigénases fazem parte de sistemas enzímicos em que uma redútase dependente do NADPH reduz W a WH2 permitindo que muitas moléculas de VH sejam oxidadas. VH VH VH VOH VOH VH VH VOH VOH VOH VH VH VOH Monooxigénase WH2 NADP + Redútase do W W NADPH 23 fenilalanina tetrahidrobiopterina Hidroxílase da fenilalanina dihidrobiopterina Redútase da dihidrobioperina NADP + NADPH tirosina Actividade do sistema enzímico Hidroxílase da Fenilalanina : Fenilalanina + NADPH Tirosina + NADP +

7 5) As peroxídases catalisam reacções em que o H 2 é o agente oxidante directo de um composto orgânico. Exemplo: a peroxídase do glutatião é a mais conhecida 6) A catálase catalisa a dismutação do peróxido de hidrogénio: 2 H H 2 n.o. = 0 n.o. = - 1 n.o. = -2 n.o. = -1 H 2 2 n.o. = - 2 7) A dismútase do superóxido catalisa a dismutação do 2H + superóxido: 2 - +H 2 - n.o. = 0 H 2 2 n.o. = - ½ n.o. = -1 n.o. = -2-2H + e - H 2 n.o. = - 1 Nem todas as reacções de oxi-redução com interesse biológico são catalisadas por enzimas. A reacção de Fenton é uma reacção de oxi-redução não enzímica que se acredita ter importância na formação do radical hidroxilo nos seres vivos O radical hidroxilo pode, oxidando moléculas componentes dos seres vivos, originar radicais orgânicos muito reactivos...que estão na origem da formação de peróxidos orgânicos. OH H 2 n.o. = - 1 Fe 2+ e - OH - n.o. = - 2 Fe 3+ OH 27 28

8 O que os seres vivos sabem fazer melhor é comer ingerir substâncias no estado reduzido que vão ser oxidadas a C e respirar inspirar, o oxidante último dos nutrientes e expirar o produto da oxidação dos nutrientes A oxidação dos nutrientes é um processo que, embora ocorra por mecanismos distintos, assemelhase muito à oxidação da gasolina num automóvel. Em ambos os casos: um composto orgânico oxida-se a C enquanto o se reduz a. n.o. = 0 n.o. = -2 C 6 H 12 O C n.o. = 0 n.o. = n.o. = 0 n.o. = -2 C 6 H 12 O C + 6 n.o. = 0 n.o. = + 4 Semi-equação de oxidação: C 6 H 12 O C + 24 e H + Semi-equação de redução: e H + 12 C 6 H 12 O 6 6 C 24 e Semi-equação de redução / + 0,81 V 2 H + +2 e- H 2 H + / H 2 0 V 24 e e H + 12 H 2 O 6 C + 24 e H + glicose + 6 H 2 O Eº = 0,059 n par redox forma oxidada / forma reduzida log Keq C / glicose Equação de Nernst: log Keq = n Eº 0,059 Eº = 1,24 V Keq potencial redox padrão (Eº ) -0,43 V Apesar desta Keq a reacção de oxidação da glicose só ocorre nos seres 32 vivos porque... há oxi-redútases.

9 glicose Seguindo o trajecto dos electrões desde succinato até ao oxigénio... gliceraldeído-3-p 1,3-bisfosfoglicerato piruvato acetil-coa oxalacetato isocitrato gliceraldeído-3-p 1,3-bisfosfoglicerato piruvato acetil-coa oxalacetato isocitrato malato α-cetoglutarato malato α-cetoglutarato fumarato succinil-coa fumarato succinil-coa No processo intervêm 3 enzimas que se situam na membrana interna da mitocôndria: 2e- 1º-Desidrogénase do succinato: oxida succinato reduzindo ubiquinona 2e- 2º-Redútase do citocromo c: oxida ubiquinol reduzindo citocromo c succinato succinato 33 2e- 36 3º-Oxídase do citocromo c: oxida citocromo c reduzindo oxigénio 1º- Acção catalítica da desidrogénase do succinato (ou complexo II) A transferência de 2 electrões entre o succinato e a ubiquinina dá-se em duas etapas: 1ª etapa: oxidação do succinato a fumarato com redução do FAD a FADH 2. n.o. = +2 2 H + n.o. = +1 2 H + 37 FAD FADH 2 n.o. = +3 n.o. = +2 forma oxidada = FAD forma reduzida = FADH 2 38

10 2ª etapa: oxidação do FADH 2 a FAD com redução da ubiquinona (Q) a ubiquinol (QH2). 2º-Acção catalítica da redútase do citocromo c (ou complexo III) FADH 2 2 H + FAD QH 2 2 H + Q Forma oxidada = Q Forma reduzida = QH2 2 Fe 3+ 2 Fe 2+ Reacção global catalisada pela desidrogénase do succinato succinato + Q fumarato + QH de facto, a redútase do citocromo c é, simultaneamente, uma enzima (uma oxi-redútase) e um transportador de protões que são bombeados para fora da mitocôndria: QH2 + 2Cyt c (Fe 3+ ) + 2 H + (dentro) Q + 2 Cyt c (Fe 2+ ) + 4 H + (fora) 3º-Acção catalítica da oxídase do citocromo c (complexo IV) 2 cyt. c (Fe 2+ ) 2 cyt. c (Fe 3+ ) ½ 2 H + n.o. = 0 n.o. =

11 ... de facto, a oxídase do citocromo c é, simultaneamente, uma enzima (uma oxi-redútase) e um transportador de protões que são bombeados para fora da mitocôndria: O trajecto dos electrões desde succinato até ao oxigénio... somatório das reacções: succinato + ½ fumarato + 2 Cyt c (Fe 2+ ) + ½ + 4 H + (dentro) + 2 Cyt c (Fe 3+ )+ 2 H + (fora) Semi-equação de redução ½ + +2 H + fumarato H + succinato par redox forma oxidada / forma reduzida / fumarato / succinato potencial redox padrão (Eº ) + 0,81 V +0,03 V 43 Eº = 0,059 n log Keq Eº = 0,78 V Keq Keq = [fumarato] [succinato] (P ) 1/2 44 gliceraldeído-3-p 1,3-bisfosfoglicerato piruvato acetil-coa C glicose gliceraldeído-3-p 1,3-bisfosfoglicerato piruvato acetil-coa C A reacção catalisada pela desidrogénase do piruvato pode ser, conceptualmente, entendida como o somatório de 2 processos: (1a) Reacção de oxidação do piruvato a acetato + C : 2 n.o. = +2 n.o. = +3 n.o. = +3 n.o. = +4 + oxalacetato isocitrato malato C α-cetoglutarato oxalacetato isocitrato malato C α-cetoglutarato (2) Reacção inversa à de hidrólise do acetil-coa: fumarato C succinil-coa fumarato C succinil-coa succinato succinato 45 46

12 O NAD + é o aceitador de electrões na reacção catalisada pela desidrogénase do piruvato. (1b) reacção de redução do NAD + a NADH piruvato acetato + C Reacção catalisada pela desidrogénase do piruvato: (1b) NAD + + +H + NADH (1a) piruvato + acetato + C + +2 H + (2) acetato + CoA acetil-coa + piruvato + CoA + NAD + acetil-coa + C + NADH + H + O destino final dos electrões que reduziram o NAD + a NADH é o. Que caminho seguem esses electrões? NAD + NADH Seguindo o trajecto dos electrões desde NADH até ao oxigénio... A desidrogénase do NADH (ou complexo I) contém como grupo prostético o FMN. (forma oxidada) No processo intervêm 3 enzimas que se situam na membrana interna da mitocôndria: 2e- 1º-Desidrogénase do NADH: oxida NADH reduzindo ubiquinona 2e- 2º-Redútase do citocromo c: oxida ubiquinol reduzindo citocromo c 3º-Oxídase do citocromo c: oxida citocromo c reduzindo 2eoxigénio 49 NADH NAD + FMN FMNH 2 FMN Q QH 2 NADH + Q NAD + + QH 2 50

13 ... de facto, a desidrogénase do NADH é, simultaneamente, uma enzima (uma oxi-redútase) e um transportador de protões que são bombeados para fora da mitocôndria: NADH + H + + Q + 4 H + (dentro) NAD + + QH2 + 4 H + (fora) No trajecto dos electrões entre NADH e o intervêm os complexos da cadeia respiratória I, III e IV. somatório das reacções: NADH + ½ NAD + + Semi-equação de redução ½ + +2 H + NAD H + NADH par redox forma oxidada / forma reduzida / NAD + / NADH potencial redox padrão (Eº ) + 0,81 V -0,32 V 51 Eº = 0,059 2 log Keq Eº =1,13 V Keq Keq = [NAD + ] 52 [NADH] (P ) 1/2 Nem todas as reacções redox são fisiológicamente irreversíveis. O sentido em que uma reacção (qualquer reacção) evoluí é determinado pela razão Keq / QR. 1- Uma reacção está em equilíbrio... Keq = QR Keq/QR =1 aa + bb pp + qq Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu E = Eº - E = 0,059 Keq log 2 QR...se Keq = QR E = 0 V 0,059 2 log [Zn2+ ] [Cu 2+ ]...se Keq > QR E > 0...se QR=1 E = Eº Keq ,1V 2- A reacção evolui em sentido directo... A + B P + Q se Keq > QR Keq/QR >1 Zn 3- e evolui em sentido inverso... P + Q A + B se Keq < QR Keq/QR <1 53 Cu 2+ 54

14 55 56 Semi-equação de redução piruvato + +2 H + lactato NAD H + NADH par redox forma oxidada / forma reduzida piruvato / lactato NAD + / NADH potencial redox padrão (Eº ) -0,19 V -0,32 V Eº =0,13 V Keq 10 4,4 Keq = [NAD + ] [lactato] [NADH] [piruvato] Keq QR E = 0,059 2 log Keq QR... se QR>Keq E <0 57 fluxo invertido de electrões