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Metabolismo e Energia – conceitos básicos
oxidações biológicas
energia livre energia livre
ε livre de Gibbs (G)ε livre de Gibbs (G)
Variação de ε livre (ΔG)Variação de ε livre (ΔG)
Reações Reações
Endoergônicas (ΔG>0)Endoergônicas (ΔG>0)
Exoergônicas (ΔG<0) Exoergônicas (ΔG<0)
Marcha da reação
Ener
gia
livre
, G
Reação Endoergônica
Reação Exoergônica
Quantidade energia liberada
Reagentes
Ener
gia
livre
, G
Marcha da reação
Produtos
Quantidade energia
requerida
Reagentes
Produtos
- Professora Ana Chaves
Metabolismo e Energia – conceitos básicos
oxidações biológicas
energia livre energia livre
ε livre de Gibbs (G)ε livre de Gibbs (G)
Variação de ε livre (ΔG)Variação de ε livre (ΔG)
Reações Reações
Endoergônicas (ΔG>0)Endoergônicas (ΔG>0)
Exoergônicas (ΔG<0) Exoergônicas (ΔG<0)
Exem
plo
mec
ânic
o Ex
empl
o qu
ímic
o
Marcha da reação
Ener
gia
livre
, G
Endoergônica Exoergônica
ω realizado para elevar o objeto
Perda de energia
potencial
- Professora Ana Chaves
Metabolismo e Energia – conceitos básicos
oxidações biológicas
Substâncias ricas em ε
Substâncias ricas em ε
ΔG d
e h
idró
lise(
KJ.
mol
-1)
Fosfoenolpiruvato
Fosfocreatina
Creatina
Adenina
1,3-Bisfosfoglicerato
Compostos de alta energia
Compostos de baixa energia
Glicerol-Glicose 6 -
- Professora Ana Chaves
Metabolismo e Energia – conceitos básicos
oxidações biológicas
7,3
Kcal.mol-1
Substâncias ricas em ε
Substâncias ricas em ε
-Pr
ofes
sora
Ana
Cha
ves
CA
TAB
OLI
SMO
AN
AB
OLISM
O
CH, Lipídeos, Proteínas
CO2, H2O, NH3
Polissacarídeos, Lipídeos, Proteínas,
Ácidos Nucléicos
Oses, AAs, AGs, BN
O ATP é o elo químico entre o catabolismo e o anabolismo
oxidações biológicas
Metabolismo e Energia – conceitos básicos
Acoplamento metabólico e energéticoAcoplamento metabólico e energético
oxidativoexoergônico
redutivoendoergônico
-Pr
ofes
sora
Ana
Cha
ves
VIAS CATABÓLICAS
VIAS ANABÓLICAS
formas úteis de energia
Metabolismo e Energia – conceitos básicos
diversas moléculas “simples”para biossínteses
Moléculas complexas(por exemplo dos alimentos)
Macromoléculas celulares
oxidações biológicas
-Pr
ofes
sora
Ana
Cha
ves
Reações de óxido-redução
agente oxidante
agente redutor
oxidações biológicas
Sofre oxidação Ganha O2
Perde e-
Perde H+
Sofre redução Perde O2
Ganha e-
Ganha H+
Oxidação e redução são reações concomitantes
Elemento doador
Elemento aceptor
Par redox
(átomos envolvidos na óxi-redução)
- Professora Ana Chaves
Reações de óxido-redução
• concomitantes
• agente oxidante
• agente redutor
CH4
Reagentes Produtos
Energia2O2 CO2 2H2O
Oxigênio Água Dióxido de Carbono
Metano
Oxidação
Redução
Se oxida Se reduz
Ganha O2 Perde O2
Perde e- Ganha e-
Perde H Ganha H
oxidações biológicas
- Professora Ana Chaves
Reações de óxido-redução
• concomitantes
• agente oxidante
• agente redutor
Se oxida Se reduz
Ganha O2 Perde O2
Perde e- Ganha e-
Perde H Ganha H
forma oxidada da nicotinamida
forma reduzida da nicotinamida
Desidrogenase
Redução
Oxidação
oxidações biológicas
- Professora Ana Chaves
Reações de óxido-redução
• concomitantes
• agente oxidante
• agente redutor
Se oxida Se reduz
Ganha O2 Perde O2
Perde e- Ganha e-
Perde H Ganha H
Fermentação lática
2 Lactato
Glicose
2 Piruvato
Lactato desidrogenase
Glicólise
oxidações biológicas
Fe2+
(ferroso)
reduzido
Fe3+
(férrico)
oxidado
Glicose + O2Ác. Glicônico (ox)
Glicose + H2Sorbitol (red)
- Professora Ana Chaves
Sentido das reações de óxido-reduçãooxidações biológicas
ATP +
H2O
O2 +
ADP+Pi
(H+ + e-)CO2
Coenzimas(oxid)
CHLipProt
Coenzimas (H+ + e-)(red)
Substratos orgânicos → oxidados em várias etapas
óxido-reduções celulares
por compostos que se reduzem ao receberem elétrons do composto oxidado
- Professora Ana Chaves
Sentido das reações de óxido-reduçãooxidações biológicas
Força eletromotriz que expressa a afinidade de um par redox por e-
Potencial redox
Fluxo de e- : < Pot Redox → > Pot Redox
À medida que os elétrons fluem de um sistema e- → e+
Seqüência de intermediários entre o S e o O2 → CR
Varia entre os compostosPode ser determinada
perda de ε livre
os elétrons tendem a se mover no sentido da < ε livre
> potencial redox
-Pr
ofes
sora
Ana
Cha
ves
Sentido das reações de óxido-reduçãooxidações biológicas
OXIDANTE REDUTOR E´0 (V) NAD+ NADH + H+ - 0,32
FMN FMNH2 - 0,30
FAD FADH2 - 0,22
UQ UQH2 + 0,04
Citocromo b (+3) Citocromo b (+2) + 0,07
Citocromo c1 (+3) Citocromo c1 (+2) + 0,23
Citocromo a (+3) Citocromo a (+2) + 0,29
Citocromo a3 (+3) Citocromo a3 (+2) + 0,55
½ O2 + 2 H+ H2O + 0,82
Potenciais Redox Padrão (E´0) de alguns pares conjugados da CTE
Por convenção, o elemento com tendência mais forte em receber elétron possui valor de Eo’ positivo
-Pr
ofes
sora
Ana
Cha
ves
Sent
ido
das
reaç
ões
de ó
xido
-red
ução
oxid
açõe
s bi
ológ
icas
os elétrons tendem a se mover no sentido da
< ε livre > potencial redox
Seqüência de intermediários entre o S e o O2 → CR
-Pr
ofes
sora
Ana
Cha
ves
Cadeia Respiratória – Organização seqüencial na MMI
EspaçoIntermembranas
Membrana
Mitocondrial Interna
Matriz Mitocondrial Cadeia de Transporte de Elétrons
SuccinatoFumarato
oxidações biológicas
Complexo I - NADH Desidrogenase FMN, Fe-SComplexo II - Succinato Desidrogenase FAD, Fe-S, Cit b
Cit b e c1 , Fe-S
Cit a e a3 , Fe-SComponentes
transportadores de e-
Complexo III - Citocromo bc1
Complexo IV - Citocromo a-a3 (citocromo oxidase)
Ubiquinona
Citocromo c
26
5
10
6-13N° aprox de cadeias polip.Móveis
Fixos
-Pr
ofes
sora
Ana
Cha
ves
Cadeia Respiratória – Componentes (natureza)
enzimas e um composto lipídicocapacidade de aceitar e transferir elétrons
organizadas na MMI na forma de complexos
a) desidrogenases
b) ubiquinona (CoQ)
complexos enzimáticosNAD, FMN e FAD centros Fe – S
Quinona lipossolúvel
longa cauda isoprenóide
3 classes (a, b e c) *diferença: cadeia polipeptídica
espectro de absorção de luz
c) Citocromos proteínas transportadoras de elétrons
HEME (coenzima)
oxidações biológicas
- Professora Ana Chaves
Cadeia Respiratória – Componentes (natureza)oxidações biológicas
Centros Fe – S
- Professora Ana Chaves
Cadeia Respiratória – Componentes (natureza)oxidações biológicas
Ubiquinona (CoQ) Ubiquinona (oxidada) (Q)
Semiquinona (QH•)
Ubiquinol (reduzida) (QH2)
- Professora Ana Chaves
Cadeia Respiratória – Componentes (natureza)oxidações biológicas
Heme
Ferro protoporfirina IXCit b
Heme CCit c
Heme ACit a- Professora Ana Chaves
Cadeia Respiratória – Substratos NAD e FAD dependentes
oxidações biológicas
Substratos
NAD Dependentes FAD Dependentes
α-cetoglutarato Succinato
Piruvato Acil-CoA
Malato Glicerol – P
Isocitrato
Glutamato
- Professora Ana Chaves
Cadeia Respiratória – Reaçõesoxidações biológicas
CNCO
Fe+3 - s
Fe+2 - s
UQH2
UQ
Fe+3
Fe+2
Fe+2
Fe+3
Fe+3
Fe+2
Fe+2
Fe+3
Fe+3
Fe+2
FMN FMNH2
Espaçointermembrana
Membranainterna
NADHDESIDROGENASE
Matriz
NADH+ H+ NAD+ATP
2 H+ AmitalRotenona 2 H+
FADH2FAD
Succinato desidrogenase
succinatofumarato
ATP
Antimicina A
ATP
2 H+
2 H2O 4H+ + O2
Cit a3Cit aCit cCit c1Cit b
CADEIA RESPIRATÓRIA
-
H2S
- Professora Ana Chaves
Cadeia Respiratória – Considerações sobre a CRoxidações biológicas
Substatos NAD dependentes
3 locais 2 locais
Substratos FAD dependentes
EspaçoIntermembranas
Membrana
Mitocondrial Interna
Matriz Mitocondrial Cadeia de Transporte de Elétrons
SuccinatoFumarato
onde a ε liberada é suficiente para a produção de ATP
-Pr
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sora
Ana
Cha
ves
Síntese de ATPoxidações biológicas
síntese de ATP obtida diretamente em reações que utilizam como S
compostos ricos em εFosforilação em nível de Substrato
1-3 bifosfogliceratofosfoenolpiruvato
Succinil- CoA
Fosfoenolpiruvato Piruvato
Piruvato quinase
ADP
ATP
glicólise e CK
ocorre fora da CR, independe de O2 e produz pequena quantidade de ε
- Professora Ana Chaves
Síntese de ATPoxidações biológicas
síntese de ATP dirigida pela εliberada pelo transporte de elétrons
para o O2 na CRFosforilação
oxidativa
MMIcomplexo V
(ATP sintase)
1) a transferência de elétrons ao longo da CR é acompanhada por um bombeamento de H+ através da MMI em direção ao EI;
2) isto resulta numa diferença de [H+], ou seja, gradiente de pH (químico) e de cargas (elétrico), uma vez que a matriz se torna alcalina e o EI, ácido;
3) a MMI é impermeável aos H+, que devem passar de volta para a matriz pela ATP sintase;
4) a ε eletroquímica resultante dessa diferença pH e de carga é a força próton-motoraque dirige a síntese de ATP;
5) a FPM impulsiona os H+ de volta à matriz, a favor do gradiente, suprindo a εnecessária para a síntese de ATP a partir de ADP + Pi, catalisada pela ATP sintase.
Teoria Quimiosmótica (Mitchel, 1960)
-Pr
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sora
Ana
Cha
ves
exterior da mitocôndria
Fosforilação oxidativa acoplada à CTE oxidações biológicas
Membrana MitocondrialExterna
Espaço intermembrana
ATP ↑[H+]
↓ [H+]
Matriz Mitocondrial
Membrana MitocondrialInterna
Transporte de elétrons Síntese de ATP
Os elétrons (carregados via NADH e FADH2) oriundos de vias metabólicas
(glicólise, CK, β-oxidação) “alimentam” os transportadores da MMI, os quais bombeiam prótons H+ para o EI
O bombeamento de H+ causa uma ≠çade carga e de pH entre o EI e a MM.
Este gradiente eletroquímico é a força próton-motriz para a síntese de ATP
A força próton-motriz impulsiona os H+ de volta à MM, suprindo a E para a síntese de ATP,
catalisada pelo complexo ATP sintase na MMI
sintase
- Professora Ana Chaves
ATP sintaseoxidações biológicas
A seqüência da reação, coordenada pela presença do íon magnésio, é a
seguinte:
ADP + Pi → ATP
ATP sintase é o nome
genérico dado a proteínas
que sintetizam ATP a partir
de ADP e de fosfato
inorgânico, utilizando para
isso alguma forma de
energia
- Professora Ana Chaves
Inibidores e desacopladores da CR
atuam em locais específicos e impedem o fluxo de elétrons
efeitos
oxidações biológicas
substâncias lipofílicas, que atravessam a MMI carregando os H+ para a MM, desfazendo o gradiente eletroquímicoem sua presença, permanece o transporte de elétrons, mas não a fosforilação oxidativa
Inibidores
Desacopladores
• não há síntese de ATP• não há consumo de O2• não há produção de H2O
• não há síntese de ATP• ↑ o consumo de O2• ε livre é perdida em forma de calor
dinitrofenol
efeito
rotenona, cianeto, malonato, oligomicina, antimicina Aexemplos
exemplo
-Pr
ofes
sora
Ana
Cha
ves
Inibidores da CRoxidações biológicas
rotenona
Cianeto ou CO
antimicina A
- Professora Ana Chaves
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