Os organismos necessitam de um constante fornecimento de energia livre

Transcrição

1 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...

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3 Endergônico Exergônico

4 Vias Metabólicas Séries de reações consecutivas catalisadas enzimaticamente, que produzem produtos específicos (metabólitos). Pontos importantes: Note que: as vias são - interconectadas conhecer as principais (pontos de cruzamento). avenidas (vias), - os cruzamentos mais importantes (intermediários comuns) e - como o fluxo nessas vias são controladas (regulação)...

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6 Visão Geral do Catabolismo

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8 Atividade catalítica depende da conformação proteica Se a Enzima é desnaturada ou dissociada em subunidades ela perde a atividade catalítica!! Glucose

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11 Grupo Prostético - Componente químico adicional requerido por certas enzimas - Estão firmemente ligados às enzimas Cofatores : compostos inorgânicos Fe 2+, Mg 2+, Mn 2+, Zn 2+ Coenzimas : compostos orgânicos. Normalmente derivado de vitaminas Holoenzima = Apoenzima (porção proteica) + coenzima ou cofator

12 Cofatores : compostos inorgânicos (Fe 2+, Mg 2+, Mn 2+, Zn 2+ ) Coenzimas : compostos orgânicos. (Normalmente derivado de vitaminas)

13 Classificação São classificadas de acordo com o tipo de reação que catalisam Código para Enzimas : EC ATP glicose fosfotransferase Classe Transferase Subclasse Fosfotransferase

14 2. Como as enzimas trabalham? A função termodinâmica denominada de energia livre (G) é importante para compreender 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!

15 Sob condições de temperatura e pressão constantes... 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

16 ΔG = ΔH -TΔS 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.

17 ΔG o negativo ΔG o positivo G reagentes > G produtos Reação ocorre espontaneamente sob condições padrão. G reagentes < G produtos Reação ocorre no sentido reverso, caso seja iniciada com a concentração 1 M (condições padrão) Lembrem-se todas as reações químicas tendem a ocorrer no sentido que resulta na diminuição de energia livre do sistema.

18 Energia Livre de Ativação

19 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.

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21 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

22 O equilíbrio da reação está relacionado à variação de energia livre padrão Um grande valor negativo de ΔG o indica um equilíbrio de reação favorável á formação dos produtos, mas não significa que ela ocorra a uma velocidade considerável.

23 2. Como as enzimas trabalham? As enzimas fornecem um ambiente específico (SÍTIO ATIVO) onde uma dada reação é energeticamente mais fovorável. SÍTIO ATIVO SUBSTRATO (ligante) Tamanho: Enzima >>> Substrato Quimotripsina

24 Enzimas afetam a velocidade mas não o equilíbrio químico Estado de transição Reação Química : S P Energia de Ativação Variação de Energia Livre Padrão Bioquímico Estado Fundamental Ponto de Partida para a reação de ida ou de volta.

25 Enzimas aceleram a velocidade da reação diminuindo a energia de ativação (A enzima não é gasta no processo e não afeta o ponto de equilíbrio) E + S ES EP E + P ENERGIA DE ATIVAÇÃO

26 Complexo Enzima Substrato Formas complementares de um Substrato e seu Sítio Ativo (Chave-Fechadura, Emil Fischer) Diidrofolato Redutase NADP + liga-se a uma cavidade complementar à sua forma e propriedades iônicas. NADP + Tetraidrofolato Conceito chave-fechadura sugere um encaixe perfeito entre E e S. O que resultaria numa enzima pouco eficiente!!

27 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

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29 Termodinamica das vias metabólicas

30 De onde vem essa energia?? Como a célula obtém essa energia??

31 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)...

32 Características das reações das vias metabólicas ü São basicamente reações orgânicas. ü São catalisadas enzimaticamente. ü Específicas. ü Devem ser termodinamicamente favoráveis.

33 Energia Livre: um indicador e espontaneidade Energia Livre de Gibbs G = H - TS G = Energia Livre H = Entalpia S = Entropia T = Temperatura

34 ΔG = ΔH -TΔS 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).

35 aa + bb cc + dd A variação de energia livre para uma reação química depende das concentrações dos seus reagentes e produtos. ΔG = ΔG o + RT ln [C] c [D] d [A] a [B] b

36 ΔG + RT ln = ΔG o [C] c [D] d [A] a [B] b Termo constante Termo Variável

37 ΔG + RT ln = ΔG o [C] c [D] d [A] a [B] b 1. Depende da Natureza dos Reagentes e Produtos ΔG o : 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

38 ΔG + RT ln = ΔG o [C] c [D] d [A] a [B] b 2. Depende da Concentração dos Reagentes e Produtos aa + bb cc + dd ü 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.

39 ΔG = ΔG o + RT ln [C] c [D] d [A] a [B] b Em condições de equilíbrio da reação ΔG=0 Portanto: ΔG o = RT ln [C] c [D] d [A] a [B] b [ ] no equilíbrio ou ΔG o = RT ln Keq ou ΔG o = -2,3RT log Keq

40 Tabela que relaciona K eq e ΔG o Keq <1 ocorre na direção dos reagentes ΔG o positivo Keq = 1 rç em equilíbrio ΔG o = zero Keq >1 rç ocorre na direção dos produtos ΔG o negativo Significa que: [C][D] = 1000 x [A][B]

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

42 Em condições NÃO padrões... A direção da reação depende do ΔG, que por sua vez depende das concentrações relativas de reagentes e produtos. aa + bb cc + dd ΔG = ΔG o + RT ln [C] c [D] d [A] a [B] b

43 Reações Acopladas

44 O acoplamento de Processos Endergônicos e Exergônicos, faz com que a reação seja impelida no sentido de sua conclusão.

45 Acoplamento de energia em processos mecânicos

46 Acoplamento de energia em processos químicos Reação ENDERGÔNICA (requer energia) ΔG POSITIVO ΔG da Reação total (Reação 1 acoplada a Reação 2)

47 Variações de energia livre padrão são aditivas

48 ATP Moeda de energia celular. Intermediário de alta energia que age como doador de energia livre para a maioria dos processos que requerem energia.

49 ATP Grupos Fosforila (-PO 3 2- ) Adenina Ribose

50 Variação de Energia Livre Padrão da Hidrólise do Fosfato para Alguns Compostos de Interesse Biológico Ligações cujas hidrólises ocorrem com valores de ΔG o muito negativos (em geral, mais negativos que -25 kj.mol -1 ) em geral são denominadas ligações de alta energia ou ricas em energia

51 Por que a Hidrólise do ATP é tão exergônica??

52 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.

53 Embora a hidrólise do ATP seja altamente exergônica a molécula é CINETICAMENTE ESTÁVEL em ph 7 Por que??? Energia de Ativação relativamente alta

54 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.

55 Além do ATP existem outros compostos de Alta Energia

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

57 Fosfoenolpiruvato

58 Fosfoguanidinas

59 Transferência de grupos fosfato

60 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.

61 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.

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

64 Transferência de elétrons

65 Energia da luz é convertida em energia de ligação Heterotrofos extraem a energia a partir da energia contida nas ligações químicas Redução: CO 2 glicose Oxidação: glicose CO 2 Plantas Animais

66 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 CO 2 é reduzido e H 2 O é oxidada produzindo carboidratos e O 2. O processo é endergônico e a energia necessária provem da luz solar.

67 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 FADH 2 ). ü A coenzima reduzida é rica em energia. Por exemplo a oxidação de um NADH a NAD+ fornece energia suficiente para gerar 3 ATPs.

68 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.

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

70 Transferência de elétrons

71 Energia da luz é convertida em energia de ligação Heterotrofos extraem a energia a partir da energia contida nas ligações químicas Redução: CO 2 glicose Oxidação: glicose CO 2 Plantas Animais

72 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 CO 2 é reduzido e H 2 O é oxidada produzindo carboidratos e O 2. O processo é endergônico e a energia necessária provem da luz solar.

73 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 FADH 2 ). ü A coenzima reduzida é rica em energia. Por exemplo a oxidação de um NADH a NAD+ fornece energia suficiente para gerar 3 ATPs.

74 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.