Reações de redox nos seres vivos. nutrientes

Reações de redox nos seres vivos As reações de oxi-redução (ou redox) costumam definir-se como reações em que há transferência de eletrões. nutrientes ruifonte@med.up.pt Departamento de Bioquímica da Faculdade de Medicina do Porto 1 Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu...mas também se podem definir como reações em que há variação do número de oxidação em cada um dos pares redox envolvidos na reação. Cu 2+ + Zn Zn 2+ + Cu Cu 2+ Zn Zn 2+ 2 Cu Nas reações 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 eletrões envolvidos na ligação ao elemento mais eletronegativo. 2- Um determinado átomo terá um n.o. negativo se recebe eletrões dos átomos vizinhos: o valor numérico corresponde ao número de eletrões que recebeu ; no caso inverso o n.o. é positivo... 1- o C é mais eletronegativo que o H atribuem-se os eletrões envolvidos na ligação ao C. 2- o C recebe 4 eletrões n.o. do C = - 4. 3- cada um dos átomos de H perdeu 1 electrão para o C n.o. do H = +1. 3 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 eletrões para o O mas ganha 2 dos H. 4

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

Na reação em que o acetaldeído passa a ácido acético pode parecer que quem se oxida (perde os hidrogénios) é a água... n.o. = +1 n.o. = +1 2 H + n.o. = + 3...mas o n.o. dos átomos do O e do H não varia. O elemento que sofre aumento no n.o. é o C1 do acetaldeído. Tal como as reações ácido-base as reações de hidrólise também não são reações de oxi-redução. n.o.= +1 n.o.= +1 n.o.= 0 n.o.= 0 Ganhar um átomo de oxigénio (sem ganhar 2 de hidrogénio) corresponde 9 a uma oxidação. 10 A transformação 2-fosfoglicerato fosfoenolpiruvato + evidencia o carácter convencional da classificação das reações. 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 reação redox n.o. = +1 oxigénio molecular 2H + e - O 2 ião superóxido e - n.o. = - ½ O n.o. do oxigénio é zero no e -2 na maioria dos casos mas... -fosfoglicerato não se reduziu nem se oxidou: perdeu 2 átomos de n.o. = - 1 11 12 hidrogénio mas também perdeu 1 átomo de oxigénio. 2 peróxido de hidrogénio H + e - HO radical hidroxilo OH - ião hidróxido n.o. = - 2. Como na água: o ião hidróxido é água desprotonada ( OH - + H + ). n.o. = - 1

As enzimas que catalisam reações 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 s catalisam reações do tipo: AH2 + NAD + NADP + FAD FMN do AH2 A + NADH NADPH FADH2 FMNH2 Desidrogénases Redútases dinucleotídeos são substratos Oxídases Oxigénases é o oxidante direto Peroxídases o 2 é reduzido a água... Catálase Dismútases catalisam reações de dismutação 13 O NADP + tem carga -3 e o NAD + tem carga -1: NADP + e NAD + são 14 nomes e o sinal + não se refere à carga global destes compostos. Exemplo: da glicose-6-p n.o. = +1 H + n.o. = +3 Independentemente do sentido direto ou inverso em que a reação ocorre, quando um composto orgânico (AH2) é oxidado pelo NAD + a enzima que catalisa a reação chama-se do AH2. H + do lactato NADP + n.o. = +1 NADPH A glicose-6-fosfato oxida-se perdendo 2 átomos de hidrogénio. O NADP + (oxidante) reduz-se aceitando um ião hidreto (H - ). Glicose-6-P + NADP + 6-fosfogliconolactona + NADPH + H + 15 mas há uma exceção... NADH + Q NAD + + QH 2 do NADH do NADH ou complexo I I NADH NAD + fora da Q ubiquinona ou coenzima Q 16 matriz da

2) A maioria das redútases catalisa reações do mesmo tipo das s mas o redutor é o NADPH... A + NADH NADPH FADH2 FMNH2 redútase do A AH2 + Exemplo: redútase do glutatião NADPH NADP + Dissulfureto do glutatião (forma oxidada) H + H + NAD + NADP + FAD FMN Glutatião (forma reduzida) O dissulfureto de glutatião reduz-se ganhando 2 átomos de hidrogénio. 17 O NADPH (redutor) oxida-se perdendo um ião hidreto. 3) As oxídases catalisam reações em que o é um dos reagentes que se reduz a, a peróxido de hidrogénio ( 2 ) ou a superóxido ( ). Em qualquer dos casos o n.o. do que era zero diminui... 2H + 2 cyt. c (Fe 2+ )+½ 2 cyt. c (Fe 3+ )+ oxídase do protoporfirinogénio + oxídase do protoporfirina + 2 protoporfirinogénio H + NADPH + 2 NADP + +2 O 2 oxídase da NADPH n.o. = - ½ 18 A oxídase mais conhecida é a oxídase do, uma enzima da cadeia respiratória também conhecida como complexo IV. 2 2 Fe 3+ Fe 2+ ½ oxídase do ou complexo IV cyt c 2 H + ½ IV fora da matriz 19 4) As mono-oxigénases (também chamadas oxigénases de função mista) catalisam reações em que o é o oxidante direto, sendo que um dos átomos de oxigénio se vai incorporar num composto orgânico que é oxidado e o outro vai formar água. São frequentemente chamadas hidroxílases; neste caso seria hidroxílase do VH VH WH2 VOH W 20

Exemplo: a hidroxílase da fenilalanina tirosina fenilalanina tetrahidrobiopterina dihidrobiopterina A fenilalanina oxidou-se ganhando um átomo de oxigénio. A tetrahidrobiopterina também se oxidou perdendo dois átomos de hidrogénio. 21 Em geral, as mono-oxigénases 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 VOH VH VH VOH VOH VH VOH VH VH WH2 NADP + VH + WH2 + Mono-oxigénase Redútase do W W VOH VOH NADPH VOH + W + NADPH + W WH2 + NADP + 22 fenilalanina Hidroxílase da fenilalanina tirosina 5) As peroxídases catalisam reações em que o 2 (que se reduz a ) é o agente oxidante direto de um composto orgânico. Exemplo: a peroxídase do glutatião é a mais conhecida tetrahidrobiopterina dihidrobiopterina Redútase da dihidrobiopterina NADP + NADPH Atividade do sistema enzímico Hidroxílase da Fenilalanina : Fenilalanina + THB + Tirosina + DHB + 2H + 23 NADPH + DHB THB + NADP + 24 Glutatião 2 Dissulfureto do glutatião 2 O glutatião oxida-se perdendo dois átomos de hidrogénio. O peróxido de hidrogénio (oxidante) reduz-se aceitando-os.

6) A catálase catalisa a dismutação do peróxido de hidrogénio: 2 2 + 2 n.o. = - 1 7) A dismútase do superóxido catalisa a dismutação do superóxido: 2 + 2 n.o. = - ½ 2 2 2H + e - O n.o. = - 1 2 2 2H + Uma das moléculas de superóxido perde um eletrão que é aceite pela 25 outra. 2 n.o. = - 2 Uma das moléculas de peróxido de hidrogénio oxida-se perdendo dois átomos de hidrogénio que são aceites pela outra. Nem todas as reações de oxi-redução com interesse biológico são catalisadas por enzimas. Algumas são não enzímicas. A reação de Fenton é uma reação não enzímica em que o 2 é reduzido a (ou ao seu ião OH - ) pelo Fe 2+ não ligado a proteínas libertando-se, simultaneamente, o radical hidroxilo. Pensa-se que, nos seres vivos, tem relevância na oxidação de compostos estruturais. Fe 2+ (livre) n.o. = - 1 2 n.o. = - 2 e - Fe 3+ HO OH - A reação de Haber-Weiss é a que corresponde ao somatório da reação de Fenton com a de redução do Fe 3+ pelo superóxido: + 2 + OH - + HO vai oxidar fosfolipídeos, proteínas, etc. 26 O radical hidroxilo pode, oxidando, não enzimicamente, moléculas componentes dos seres vivos, originar radicais orgânicos muito reativos...que estão na origem da formação de peróxidos orgânicos. peróxido orgânico HO n.o. = - 2 n.o. = - 1 n.o. = - 2 radical alquilo n.o. = - 1 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 radical alquilperoxilo 27 28

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: C 6 H 12 O 6 + 6 6 C + 6 n.o. = + 4 Semi-equação de oxidação: um composto orgânico oxida-se a C enquanto o se reduz a. C 6 H 12 O 6 + 6 6 C + 24 e - + 24 H + Semi-equação de redução: 6 + 24 e - + 24 H + 12 C 6 H 12 O 6 + 6 6 C + 6 n.o. = + 4 29 C 6 H 12 O 6 6 C 24 e - 6 12 30 Semi-equação de redução par redox forma oxidada / forma reduzida potencial redox padrão (Eº ) glicose 6 + 24 e - + 24 H + O 12 2 / + 0,81 V 24 e - 2 H + + H 2 H + / H 2 0 V gliceraldeído-3-p 1,3-bisfosfoglicerato gliceraldeído-3-p 1,3-bisfosfoglicerato 6 C + 24 e - + 24 H + glicose + 6 C / glicose - 0,43 V Equação de Nernst: Δ Eº = 0,059 log Keq n Δ Eº n log Keq = 0,059 Δ Eº = + 0,81 - (-0,43) = 1,24 V Keq 10 500 M -1 Apesar desta Keq a reação de oxidação da glicose só ocorre nos seres vivos porque... há oxi-redútases. mas não há nenhuma enzima C 6 H 12 O 6 + 6 capaz de ligar e glicose e 6 C + 6 piruvato acetil-coa oxalacetato isocitrato malato α-cetoglutarato succinil-coa 31 32 catalisar a formação de C e. piruvato acetil-coa oxalacetato isocitrato malato α-cetoglutarato succinil-coa

Seguindo o trajeto dos eletrões desde até ao oxigénio... glicose gliceraldeído-3-p gliceraldeído-3-p Complexo II ou do Q III cyt c II-FAD Complexo III ou redútase do ubiquinona ou coenzima Q ½ Complexo IV ou oxídase do IV lado de fora matriz 1,3-bisfosfoglicerato piruvato acetil-coa oxalacetato isocitrato 1,3-bisfosfoglicerato piruvato acetil-coa oxalacetato isocitrato No processo intervêm 3 enzimas que se situam na membrana interna da : 1º-Desidrogénase do : oxida 2e- reduzindo ubiquinona malato α-cetoglutarato succinil-coa malato α-cetoglutarato succinil-coa 33 QH 2 (ubiquinol) Q (ubiquinona) QH 2 (ubiquinol) Q (ubiquinona) 34 Seguindo o trajeto dos eletrões desde até ao oxigénio... Complexo II ou do Q III cyt c II-FAD Complexo III ou redútase do ubiquinona ou coenzima Q ½ Complexo IV ou oxídase do IV lado de fora matriz 1º- Ação catalítica da do (ou complexo II) A transferência de 2 eletrões entre o e a ubiquinona dá-se em duas etapas: 1ª etapa: oxidação do a com redução do FAD a FADH 2. Complexo II ou do II-FAD Q ubiquinona ou coenzima Q No processo intervêm 3 enzimas que se situam na membrana interna da : 1º-Desidrogénase do : oxida 2ereduzindo ubiquinona 2e- 2º-Redútase do : oxida ubiquinol reduzindo 2e- 35 3º-Oxídase do : oxida reduzindo oxigénio 2 H + 36 FAD FADH 2

2ª etapa: oxidação do FADH 2 a FAD com redução da ubiquinona (Q) a ubiquinol (QH2). FADH 2 2 H + FAD n.o. = +2 2 H + n.o. = +1 Forma oxidada = Q Forma reduzida = QH2 Reação global catalisada pela do n.o. = +3 n.o. = +2 forma oxidada = FAD forma reduzida = FADH 2 37 + Q + QH 2 R = polímero de unidades isoprenoides que conferem hidrofobicidade à coenzima Q. 38 Seguindo o trajeto dos eletrões desde até ao oxigénio... Complexo II ou do Q III cyt c II-FAD Complexo III ou redútase do ubiquinona ou coenzima Q ½ Complexo IV ou oxídase do No processo intervêm 3 enzimas que se situam na membrana interna da : 1º-Desidrogénase do : oxida 2ereduzindo ubiquinona 2e- 2º-Redútase do : oxida ubiquinol reduzindo 2e- 39 3º-Oxídase do : oxida reduzindo oxigénio IV lado de fora matriz 2º-Acção catalítica da redútase do (ou complexo III) Na redução de 2 moléculas de (Fe 3+ ) por uma molécula de ubiquinol (QH2), 2 eletrões são transferidos para o heme c, o grupo prostético do e estes 2 protões acabam na face externa da membrana interna da (fora da ). QH 2 2 H + 2 Fe 3+ 2 Fe 2+ Q 40

De facto, a redútase do (complexo III) é, simultaneamente, uma enzima (uma oxi-redútase) e um transportador de protões que são bombeados para fora da : QH2 + 2 Cyt c (Fe 3+ ) Q + 2 Cyt c (Fe 2+ ) + 2 H + (fora) 2 H + (dentro) 2 H + (fora) QH2 + 2 Cyt c (Fe 3+ ) + 2 H + (dentro) Q + 2 Cyt c (Fe 2+ ) + 4 H + (fora) 3º-Acção catalítica da oxídase do (complexo IV) 2 Fe 2+ 2 Fe 3+ Complexo III ou redútase do QH2 ubiquinol ou coenzima QH2 4H + III 2H + cyt c fora da matriz da O complexo III catalisa um processo de transporte ativo primário: usa a energia 41 libertada numa reação química para bombear protões contra gradiente electroquímico. ½ 2 H + estes 2 protões vêm da matriz da 42 De facto, a oxídase do (complexo IV) é, simultaneamente, uma enzima (uma oxi-redútase) e um transportador de protões que são bombeados para fora da : 2 Cyt c (Fe 2+ ) + ½ + 2 H + (dentro) + 2 Cyt c (Fe 3+ ) Complexo IV ou oxídase do 2 H + (dentro) 2 H + (fora) 2 Cyt c (Fe 2+ ) + ½ + 4 H + (dentro) + 2 Cyt c (Fe 3+ )+ 2 H + (fora) cyt c 2H + IV ½ 4H + fora da matriz da O complexo IV tb catalisa um processo de transporte ativo primário: usa a energia 43 libertada numa reação química para bombear protões contra gradiente electroquímico. O trajeto dos eletrões desde até ao oxigénio... somatório das reações: + ½ + Semi-equação de redução ½ + +2 H + + + 2 H + Keq = par redox forma oxidada / forma reduzida / / Δ Eº = 0,059 n log Keq Δ Eº = 0,78 V Keq 10 26 atm -1/2 [] [] (pressão parcial ) 1/2 potencial redox padrão (Eº ) + 0,81 V +0,03 V 44

gliceraldeído-3-p glicose gliceraldeído-3-p A reação catalisada pela do piruvato pode ser, conceptualmente, entendida como o somatório de 2 processos: (1a) Reação de oxidação do piruvato a acetato + C : 1,3-bisfosfoglicerato 1,3-bisfosfoglicerato piruvato piruvato + acetil-coa oxalacetato isocitrato malato C C α-cetoglutarato acetil-coa oxalacetato isocitrato malato C C α-cetoglutarato n.o. = +2 n.o. = +3 n.o. = +3 n.o. = +4 (2) Reação inversa à de hidrólise do acetil-coa: 2 C succinil-coa C succinil-coa 45 Ac. acético Acetil-CoA 46 O NAD + é o aceitador de eletrões na reação catalisada pela do piruvato. (1b) reação de redução do NAD + a NADH piruvato acetato + C Reação catalisada pela 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 eletrões que reduziram o NAD + a NADH é o. Que caminho seguem esses eletrões? NAD + NADH 47 48

Seguindo o trajeto dos eletrões desde NADH até ao oxigénio... Complexo I ou do NADH I Complexo III ou redútase do Q III cyt c Complexo IV ou oxídase do IV A do NADH (ou complexo I) contém como grupo prostético o FMN. (forma oxidada) NADH NAD + ubiquinona ou coenzima Q ½ No processo intervêm 3 enzimas que se situam na membrana interna da : 1º-Desidrogénase do NADH: oxida NADH reduzindo 2ea ubiquinona 2e- 2º-Redútase do : oxida ubiquinol reduzindo 3º-Oxídase do : oxida reduzindo 2e- oxigénio 49 NADH NAD + FMN FMNH 2 FMN Q QH 2 NADH + Q NAD + + QH 2 50 De facto, a do NADH (complexo I) é, simultaneamente, uma enzima (uma oxi-redútase) e um transportador de protões que são bombeados para fora da : NADH + H + + Q + 4 H + (dentro) NAD + + QH2 + 4 H + (fora) Complexo I ou do NADH 4H + I NADH NAD + 4H + Q ubiquinona ou coenzima Q fora da matriz da O complexo I também catalisa um processo de transporte ativo primário: usa a energia 51 libertada numa reação química para bombear protões contra gradiente electroquímico. No trajeto dos eletrões entre NADH e o intervêm os complexos da cadeia respiratória I, III e IV. somatório das reações: NADH + ½ NAD + + Semi-equação de redução par redox forma oxidada / forma reduzida potencial redox padrão (Eº ) ½ + +2 H + / + 0,81 V H 2 O NAD + + + H + NADH NAD + / NADH -0,32 V Δ Eº = 0,059 2 log Keq Δ Eº = 1,13 V Keq 10 38 atm -1/2 Keq = [NAD + ] 52 [NADH] (p ) 1/2

Nem todas as reações redox são fisiologicamente irreversíveis. O sentido em que uma reação (qualquer reação) evolui é determinado pela razão Keq / QR. 1- Uma reação está em equilíbrio... Keq = QR Keq/QR =1 aa + bb pp + qq 2- A reação evolui em sentido direto... A + B P + Q se Keq > QR Keq/QR >1 3- e evolui em sentido inverso... P + Q A + B se Keq < QR Keq/QR <1 53 Nos eritrócitos, nos tumores mal irrigados e nas fibras musculares em exercício físico anaeróbio a reação catalisada pela do lactato evolui no sentido da formação do lactato que é libertado para o sangue. Nestas células e nestas condições as concentrações de reagentes e dos produtos determinam que a reação catalisada pela do 54 lactato evolua no sentido da redução do piruvato a lactato. Outras células captam lactato do sangue e, como primeiro passo do seu metabolismo, ocorre a oxidação a piruvato. Em algumas fibras musculares (fibras vermelhas), no fígado (a maior parte do tempo) e no coração normal e a reação catalisada pela do lactato evolui no sentido da formação do piruvato. Semi-equação de redução piruvato + +2 H + lactato par redox forma oxidada / forma reduzida piruvato / lactato potencial redox padrão (Eº ) - 0,19 V NAD + + + H + NADH NAD + / NADH -0,32 V Δ Eº = 0,13 V Keq 10 4,4 Keq = [NAD + ] [lactato] [NADH] [piruvato] Keq QR Nestas células e nestas condições as concentrações de reagentes e dos produtos determinam que a reação catalisada pela do 55 lactato evolua no sentido da oxidação do lactato a piruvato. ΔE = 0,059 2 log Keq QR... se QR>Keq ΔE <0 56 fluxo invertido de eletrões

Zn + Cu 2+ ΔE = ΔEº + ΔE = 0,059 Keq log 2 QR...se Keq = QR ΔE = 0 V Zn 2+ + Cu 0,059 2 [Cu 2+ ] log [Zn 2+ ]...se Keq > QR ΔE > 0...se QR=1 ΔE = ΔEº Keq 10 37 1,1V Zn Cu 2+ Pilha gasta 57 Pilha carregada