BIOENERGÉTICA INTRODUÇÃO

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1 INTRODUÇÃO BIOENERGÉTICA Hoje, mais do que nunca, estamos conscientes de que a energia, a capacidade de produzir trabalho, é vital para a nossa civilização moderna. Nas suas diversas formas (elétrica, mecânica, química, calorífica, luminosa, etc.) é utilizada para a manufatura de produtos, transporte, aquecimento, refrigeração, e demais trabalhos. A célula viva igualmente necessita de energia para a realização dos diversos trabalhos fisiológicos que executa: biossínteses (trabalho químico), transporte ativo (trabalho osmótico), contração muscular (trabalho mecânico), bioluminescência, etc.

2 BIOENERGÉTICA A bioenergética é o campo da bioquímica que trata das transformações e uso da energia pelas células vivas. A termodinâmica, parte da física que trata das alterações energéticas, afirma, na sua 1 a Lei que a energia não é criada e nem destruída, mas apenas transformada, e, numa 2 a Lei que todas as transformações, físicas ou químicas, tendem a ocorrer numa direção tal que a energia útil (aquela capaz de produzir trabalho), sofre degradação irreversível para uma forma desordenada, chamada de entropia.

3 ENERGIA LIVRE Existem duas formas de energia útil que pode ser obtida através de reações químicas: 1. Energia Calorífica realiza trabalho com mudanças de temperatura e/ou pressão (máquinas térmicas) 2. Energia Livre realiza trabalho sob condições de pressão e temperatura constantes (célula viva) A entropia é uma condição da energia ou da matéria em estado de desordem. Em termos energéticos é uma energia inútil, incapaz de produzir trabalho.

4 CICLO ENERGÉTICO CELULAR MOLÉCULAS COMBUSTÍVEIS + O 2 ADP + Pi TRABALHOS FISIOLÓGICOS CO 2 H 2 O ATP O ATP é a moeda das transações energéticas na célula

5 Energia REAÇÕES TERMODINAMICAMENTE POSSÍVEIS A B G = variação de energia livre de uma reação ΔG > 0 : reação endergônica ΔG = E B - E A ΔG < 0 : reação exergônica A Ea ΔG = ΔH - T ΔS ΔG B ΔH = variação de entalpia Coordenada da reação ΔS = variação de entropia

6 CONCEITO DE ENERGIA LIVRE DE UMA REAÇÃO QUÍMICA G = variação de energia livre de uma reação G = É A QUANTIDADE MÁXIMA DE ENERGIA QUE A CÉLULA PODE OBTER DE UMA REAÇÃO QUÍMICA AS REAÇÕES TERMODINAMENTE POSSÍVEIS DE OCORRER APRESENTAM G NEGATIVO, OU SEJA, OCORREM COM DIMINUIÇÃO DA ENERGIA LIVRE DO SISTEMA

7 RELAÇÃO ENTRE ΔG E A CONSTANTE DE EQUILÍBRIO Considere-se a reação no seu estado de equilíbrio: A B ΔG = ΔG o + RT ln Keq 0 = ΔG o + RT ln Keq ΔG o = - RT ln Keq Keq = [B] [A] A 25 o C, condição padrão, T = = 298 o K e R = cal/ o K ΔG o = - 1,987 x 298 x ln Keq ΔG o = x 298 x 2,303 log Keq ΔG o = log Keq

8 RELAÇÃO ENTRE ΔG o E A CONSTANTE DE EQUILÍBRIO A B Keq = [B] [A] Keq = [1] [1000] = 0,001 Keq log Keq ΔG o = log Keq (cal/mol) 0, , ,

9 ΔG o é a variação de energia livre de uma reação quando reagentes e produtos estão na concentração unitária (1M) A B Keq = [A] [B] Para a condição de [A] = [B] = 1M, teremos : ΔG = ΔGo + RT ln Keq ΔG = ΔGo + RT ln 1 ΔG = ΔGo + RT x 0 ΔG = ΔGo

10 Ligações fosfóricas

11 Estrutura do ATP

12 NUCLEOTÍDEOS DE ADENOSINA E SUA ENERGIA DE HIDRÓLISE OH OH OH P O P O O O OH P O NH 2 N N CH N N O CH 2 O ATP ADP ; G= cal/mol ADP AMP ; G= cal/mol AMP ADENOSINA; G= cal/mol OH OH Adenosina Adenosina monofosfato = AMP Adenosina difosfato = ADP Adenosina trifosfato = ATP

13 REAÇÕES ACOPLADAS COM UTILIZAÇÃO E CONSUMO DE ATP ATP ADP CH 2 OH H 2 C O H 2 PO 3 ATP ADP G = cal/mol O O GLUCOSE GLUCOSE-6-P G = cal/mol G = cal/mol GLUCOSE GLUCOSE-6-P O C O HCOH O P O - - O ADP ATP H O C C O - OH 1,3-DPGA 3-PGA G = cal/mol ATP ADP G = cal/mol CH 2 O H 2 PO 3 CH 2 O H 2 PO 3 G = cal/mol 1,3-DIFOSFOGLICERATO 3-FOSFOGLICERATO

14 ENZIMAS CONCEITO ESPECIFICIDADE (SÍTIO ATIVO) DESNATURAÇÃO PROTÊICA e INATIVAÇÃO ENZIMÁTICA CINÉTICA ENZIMÁTICA EQUAÇÃO DE MICHAELLIS-MENTEN CONCEITOS BIOQUÍMICOS DE Km e Vm FATORES QUE AFETAM A ATIVIDADE ENZMÁTICA

15 CONCEITO São proteínas fabricadas pela própria célula, com a função de acelerar as reações químicas, termodinamicamente possíveis, porém sem alterar os valores de Variação de Energia Livre ( G) ou a Constante de Equilíbrio da reação (Keq). Atuam em quantidades extremamente baixas em relação à quantidade ou concentração de substrato processada, e tornam a velocidade das reações compatíveis com as exigências do metabolismo. Tais reações não ocorreriam, ou se ocorressem, seria com velocidade extremamente baixa, comprometendo a manifestação dos processos metabólicos vitais.

16 ESPECIFICIDADE As enzimas não apenas aceleram as reações enzimáticas mas também facilitam o controle do metabolismo, aspecto extremamente importante para o metabolismo celular. Assim é que enquanto algumas reações devam ser aceleradas em determinadas circunstâncias, outras reações deveriam ser atenuadas, para que o metabolismo possa ser direcionado segundo às necessidades momentâneas da célula. Para a consecução de tais objetivos o controle mais eficiente seria aquele exercido sobre cada reação enzimática, individualmente. Haveria pois a necessidade de uma enzima específica para a catálise de cada reação bioquímica.

17 Natureza protéica da enzima e Sítio Ativo A necessidade da especificidade de catálise levou a célula a buscar nas proteínas a diversidade tamanha de estruturas químicas para atendesser tal requisito. Porém, sendo uma proteína, a enzima pode sofrer desarranjos em seus níveis estruturais básicos (especialmente a estrutura terciária), o que leva à desnaturação protéica e conseqüentemente a perda da atividade catalítica. A especificidade está condicionada, em grande parte, à configuração espacial do seu sítio ativo, local da proteína, onde o substrato vai ser alojado, formando-se assim o complexo enzima-substrato.

18 Como aumentar a velocidade das reações? A velocidade de uma reação é determinada pela Energia de Ativação (Ea), um quantum energético que deve ser fornecido às moléculas reagentes, para atingir o estado excitado e se converterem no produto da reação. Esta barreira energética estabelecida pela Ea pode ser transposta por moléculas de reagentes que apresentem energia cinética suficiente para tal. Assim, ao aumentarmos a temperatura, aumentamos a energia cinética das moléculas reagentes, permitindo que um maior número de moléculas estejam aptas a transpor a barreira energética, resultando em um aumento na velocidade de reação.

19 Como aumentar a velocidade das reações? Outra possibilidade de se aumentar a velocidade de uma reação seria diminuir a barreira energética, permitindo que numa dada temperatura uma quantidade maior de moléculas reagentes possam transpor a barreira energética imposta pela energia de ativação. É desta forma que atuam os catalizadores, ou seja reduzem a quantidade de energia para as moléculas atingirem o estado excitado. As enzimas são biocatalizadores, e tornam as velocidades de reação compatíveis com as necessidades do metabolismo celular.

20 Energia Modalidades de aumentar a velocidade das reações No. moleculas S P S Ea* Ea 20 o C 20% reagem 30 o C 50% reagem ΔG P Coordenada da reação Ea* = energia de ativação na presença da enzima Energia cinética

21 A CATÁLISE HIDRÓLISE DA URÉIA H+ O=C(NH 2 ) 2 + H 2 O CO NH 3 Ea = CAL/MOL UREASE O=C(NH 2 ) 2 + H 2 O CO NH 3 Ea = CAL/MOL DECOMPOSIÇÃO DO PERÓXIDO DE HIDROGÊNIO Fe+++ H 2 O 2 H 2 O + 1/2 O 2 Ea = CAL/MOL CATALASE H 2 O 2 H 2 O + 1/2 O 2 Ea = CAL/MOL

22 CINÉTICA DE REAÇÃO [P] min [S2] [S1] Nos instantes iniciais da reação, substrato reage com a enzima formando o complexo enzimasubstrato. A partir daí a velocidade de formação de produto se processa com velocidade constante, até o momento em que a redução na concentração de substrato afete a velocidade de reação. Para que a velocidade de formação de produto seja constante a concentração do complexo enzima substrato deve permanecere constante. Deduz-se que a velocidade de formação do complexo enzima-substrato seja igual à velocidade de sua dissociação

23 REAÇÕES ENZIMÁTICAS Vm Vm/2 Km [s] s0 s1 s2 s3 s4 sn P 0 /t P n /t V0 Vn

24 MODELO MATEMÁTICO DA CATÁLISE ENZIMÁTICA + K3 K1 + K2 ENZIMA SUBSTRATO COMPLEXO ENZIMA-SUBSTRATO PRODUTO v 0 = K3 x v 1 = K3 x v 2 = K3 x v 3 = K3 x 5 = Vm/ v 4 = K3 x v 5 = K3 x v 6 = K3 x v n = K3 x 12 = Vm

25 CINÉTICA ENZIMÁTICA Vm Vm/2 v = Vm.[S] Km + [S] Km [s] V 1 E + S ES E + P V 2 V 3 Vm = velocidade máxima Km = constante de Michaelis

26 CINÉTICA ENZIMÁTICA Vm Vm/2 v = Vm.[S] Km + [S] Km [s] V 1 E + S ES E + P V 2 V 3 Vm = velocidade máxima: concentração de saturação dos sítios ativos, todas as moléculas de enzima estão na forma ES Km = constante de Michaelis: concentração de semi-saturação dos sítios ativos, 50% das enzimas estão na forma de complexo ES e 50% livres

27 TRANSFORMADA DE LINEWEAVER-BURK (RETIFICAÇÃO DA HIPÉRBOLE) V Vm 1/ V Vm/2 1/ Vm Km [S] -1/ Km 1/[S] V = Vm. [S] Km + [S] 1/ V = Km Vm. 1/[S] + 1/Vm

28 FATORES QUE AFETAM A ATIVIDADE ENZIMÁTICA CONCENTRAÇÃO DE SUBSTRATO CONCENTRAÇÃO DE ENZIMA ph (concentração hidrogeniônica) TEMPERATURA INIBIDORES EFETORES ALOSTÉRICOS COFATORES ENZIMÁTICOS

29 Efeitos das concentrações de enzima e de substrato Vm Vm Vm/2 Vm/2 Km [s] V 1 V 3 E + S ES E + P V 2 Vm é proporcional à [E], mas Km independe da [E]

30 ATIVIDADE EFEITO DO ph ph ótimo ph [H + ] [OH - ] COOH COO - COO - NH 3 + NH 3 + NH 2 Sítio ativo com configuração adequada

31 ATIVIDADE/VELOCIDAD E EFEITO DA TEMPERATURA 100% ENERGIA CINÉTICA TERMODESNATURAÇÃO PROTÊICA (% DE ENZIMAS ATIVAS) TEMPERATURA TEMPERATURA ÓTIMA

32 INIBIDORES ENZIMÁTICOS (SE ALOJAM NO SÍTIO ATIVO DA ENZIMA) COMPETITIVOS (REVERSÍVEIS) NÃO COMPETITIVOS (IRREVERSÍVEIS)

33 INIBIDOR COMPETITIVO (TEM SEMELHANÇA ESTRUTURAL COM O SUBSTRATO) ENZIMA SUBSTRATO INIBIDOR COMPLEXO ENZIMA-SUBSTRATO

34 SUBSTRATO E INIBIDOR COMPETEM PELO SÍTIO ATIVO ENZIMA SUBSTRATO INIBIDOR COMPLEXO ENZIMA-INIBIDOR

35 Ácido malônico: um inibidor competitivo COOH CH 2 CH 2 COOH Ácido succínico FAD + FADH 2 desidrogenase succínica COOH CH 2 COOH Ácido malônico COOH CH CH COOH Ácido fumárico

36 Cinética de uma inibição competitiva Sem inibidor Vm Vm/2 Com inibidor Km Kmi [S] Altas concentrações de substrato deslocam o inibidor do sítio ativo

37 INIBIDOR NÃO COMPETITIVO (IRREVERSÍVEL) -SH FCH 2 COOH ENZIMA SUBSTRATO INIBIDOR (FLUORACETATO) Afinidade química entre o inibidor e grupos reativos do sítio ativo (ligação covalente)

38 INIBIDOR NÃO COMPETITIVO (REDUZ A CONCENTRAÇÃO EFETIVA DA ENZIMA) -S-CH 2 COOH ENZIMA SUBSTRATO

39 Cinética de uma inibição não competitiva Sem inibidor Vm Vm Vm/2 Vm/2 Com inibidor Km [S] O inibidor não é removido do sítio ativo da enzima quando se aumenta a concentração de substrato

40 Efetores alostéricos substrato Efetor alostérico negativo Sítio alostérico Sítio ativo Complexo enzima-substrato Complexo enzima-efetor O efetor alostérico altera a conformação espacial do sítio ativo

41 Efetores alostéricos carboidrato Ac. aspártico A Enzima 1 Outros constituintes celulares Alosteria: 1-Retro-inibição 2-Feed-back 3-Inibição pelo produto final B C Enzima 2 Enzima 3 Enzima 4 Arginina Efetor alostérico negativo para a Enzima 1

42 Atividade Efetores alostéricos Efetor alostérico positivo (+) Efetor alostérico negativo (+) [Efetor]

43 Cofatores enzimáticos Coenzimas (NAD +, NADP +, TPP, etc.) Grupos prostéticos (FMN, FAD) Iônios ativados (Cl -, K +, Mg ++, Zn ++, Mn ++, Cu ++, etc.)

44 COENZIMAS

45 Grupos prostéticos (FMN e FAD)

46 Cofatores nas reações de óxido-redução

47 Cofatores nas reações de óxido-redução com participação de coenzima Reação de produção do etanol na fermentação alcoólica H C O NADH+H + NAD + CH 2 OH CH 3 Desidrogenase alcoólica CH 3 ACETALDEÍDO ETANOL

48 Cofatores nas reações de óxido-redução Reação de produção do lactato na glicólise e na fermentação alcoólica COOH C O CH 3 desidrogenase lática NADH + H + NAD + HO COOH C H CH 3

49 REAÇÃO ENZIMÁTICA COM PARTICIPAÇÃO DE GRUPO PROSTÉTICO COOH CH 2 CH 2 COOH FAD + FADH 2 desidrogenase succínica COOH CH CH COOH Ácido succínico Ácido fumárico