Aula 1
Termodinâmica aplicada a bioenergética
A Revolução IndustrialPreponderam a
produção de bens de
consumo,
especialmente têxteis, e
a energia a vapor.
Antoine-Laurent de Lavoisier
(26 August 1743 – 8 May 1794)
Se a respiração e a queima são a mesma reação
química, então deve existir uma proporcionalidade
entre as quantidades de CO2 e de calor produzidas ...
Calorímetro de Lavoisier-La Place
“A respiração é portanto uma combustão, muito lenta é verdade, mas de qualquer forma
perfeitamente semelhante à combustão do carvão ou de qualquer outra matéria orgânica. Ela
ocorre no interior dos pulmões sem produzir luz perceptível, porque a matéria liberada pelo fogo
é imediatamente absorvida pela umidade dos tecidos”.
(Lavoisier, 1787, vol. II, 331)
Corpo + O2
CO2 + H2O + Calor
Lavoisier (Tratado de Quimica Elementar, 1789)
Lei da conservação das massas:
“Matéria não se cria nem se destroi, se transforma”
Guilhotinado em 8 de Maio de 1794, pelo tribunal revolucionário
METABOLISMO
Conjunto de reações químicas que ocorrem nas células ou no
interior de organismos vivos.
Objetivos do metabolismo:
Produzir energia química em forma de ATP e NADH (NADPH, FADH2)
contida nos alimentos
Para sintetizar moléculas complexas partindo de precursores simples =
biosíntese
Para realizar uma trabalho (ex: contração muscular)
PARA SE AFASTAR DO EQUILIBRIO!!!!!!!!!!!!!!!
Termodinâmica
• Primeira lei da termodinâmica: princípio da conservação de energia.
“Para qualquer transformação física ou química, a quantidade total
de energia no universo permanece constante, a energia pode mudar de
forma ou ser transportada de uma região para outra; entretanto, ela não
pode ser criada ou destruída.”
• Segunda lei da termodinâmica: tendência do universo à desordem
crescente.
“Em todos os processos naturais, a entropia do universo aumenta.”
Células = Sistemas abertos
Sistema tende a ir para um aumento da desorganização
Como sabemos se a reação acontece espontáneamente?
Qual ocorre espontaneamente, qual libera energia
E qual precisa de energia para acontecer?
Reação química
Quanto temos de um produto e de um reagente
Keq- expressão de ação de massas
Keq= [produtos]/ [reagentes]
Coeficientes viram exponenciais e soma (+) vira
produto
Ex.
2CO2
2HI
2CO + O2
H 2 + I2
Numa solução aquosa
H2SO4
2H+ (aq) + SO42-
Coloquemos numeros
• 2CO2
•
•
•
2CO2 + O2
CO2= 4.0M
CO = 2.0M
O2= 1 M
• Se a Keq aumenta, mais produtos são feitos e
a reação chega mais longe
• Keq = 1 esta no equilibrio
• Keq menor a um menos produto formou
• Keq infinito reação terminou não tem mais
reagentes
Isto depende da temperatura
• Mas com a Keq podemos saber se a reação
acontece ou não?
• Termodinamica entropia e entalpia
Espontaneidade das reações
Entropia (S)
Energia Livre
de Gibbs (G)
DG = DH - TDS
Entalpia (H)
Entropia- Organização – Probabilidade ex. Gas liquido e solido
Entalpia- Tipo de ligações químicas
Reação favorável
Reação desfavorável
Entalpia
-DH (exotermica)
+ DH (endotermica)
Entropia
+DS
-DS
NaOH(sol) ↔ Na+ (aq) + OH- (aq)
DH (KJ)=-44.5
Entalpia –DH
Favoravel ou desfavorável? _________________
Entropia (solido para aquoso)
Favoravel ou desfavorável? _________________
Se disolvemos na agua:
KNO3(sol) ↔ K+ (aq) + NO3 (aq)
DH (KJ)=38
Entalpia
Favoravel ou desfavorável? _________________
Entropia (solido para aquoso)
Favoravel ou desfavorável? _________________
Energia livre de Gibbs
G – energia livre de Gibbs
H – entalpia
S - entropia
Equilíbrio:
aA + bB
R=8,314472 J/ K mol
R=1,987cal /K mol
cC + dD
Reação Química
DGo'
(kcal/mol)
Fotossintese
6CO2 + 6H2O --> glicose + 6O2
+686
Hidrólise de sacarose
Sacarose + H2O --> glicose + frutose
-7.0
Hidrólise de glicose
glicose + 6O2 -->6CO2 + 6H2O
-686
Conversão de ATP a
ADP
ATP + H2O --> ADP + fosfato
-7.3
Esterificação
glicose + fosfato --> glicose 6fosfato + H2O
+3.3
ácido palmítico
palmitato (C16H3202)+31O2 -->
16CO2 + H2O
+2,398
Quantidade de energia livre para realizar trabalho
DG < 0 (-) liberação energia = Exergonico
DG > 0 (+) absorção energia = Endergonico
1 caloria = 4,1858 Joules
1,123 kcal.min-1
0.98
21,0
CONSTRUCTORE
http://ltc.nutes.ufrj.br/constructore/
BIOQUIMICA II FARMACIA-TURMA MONICA
Transdução de energia
fototróficos
quimiotróficos
•
De onde tiramos a nossa energia?
ATP: “moeda” energética
Hidrólise do ATP
-7.27 kcal/mol
Compostos de alta energia
DG’º hidrólise < -25 kJ/mol
Os fosfoésteres e os fosfoanidridos
Fosfoésteres
Fosfoanidridos
ATP
Hidrólise da fosfocreatina
-10,27 kcal/mol
= molécula de estoquagem de energia
Rotas metabólicas: conjunto de reação que produz ou degrada um
determinado produto (substrato) ou cunjunto de produto ex: glicólise
dois tipos de rotas:
- catabólicas (onde há degradação, ou “quebra” de compostos);
- anabólicas (que é a síntese, ou seja, formação de compostos).
As vias catabólicas são acompanhadas por liberação de energia livre,
enquanto o anabolismo requer energia para ser realizado.
Vias metabólicas
•Vias catabólicas: convergentes
•Vias anabólicas: divergentes
•Algumas vias são cíclicas, ou seja, um
precursor da via é regenerado por meio
de uma série de reações.
Características das rotas metabólicas:
- Irreversibilidade
- Direcionamento
- Economia dos intermediários
- Regulação
DG’°<0
A
2
1
C
B
ciclo fútil
Características das rotas metabólicas:
- Irreversibilidade
- Direcionamento
- Economia dos intermediários
- Regulação
Várias etapas existem para oxidar a glicose más somente uma faz sentido
em determinado momento para preencher as necesidadesa célula
Características das rotas metabólicas:
- Irreversibilidade
- Direcionamento
- Economia dos intermediários
- Regulação
Intermédiários que participam de forma reversível nas reções de oxido-redução
como transportadores de életrons
Coenzimas como transportadores de elétrons
Reações de oxidação-redução:
Agente redutor: molécula doadora de elétrons
Agente oxidante: molécula receptora de elétrons
C6H12O6 + 6O2
NAD+/FAD
6CO2 + 6H2O
NADH/FADH2
Os nucleotídeos NAD+, NADP+, FMN e FAD são coenzimas
hidrossolúveis que sofrem oxidações e reduções reversíveis em muitas das
reações metabólicas de transferência de elétrons.
NADH
FADH2
ATP = outro intermediário
Cineticamente estável e termodinacamente instável
Acoplamento de energia
reações exergônicas (espontâneas) X reações endergônicas
DG’° para oxidação completa da glicose em CO2 + H20 ~ 686 kcal/mol (2850 kJ/mol)
DG’° de hidrolíse de ATP ~7,3 kcal/mol (30,5 kJ/mol)
Acoplamento das reações permite a síntese de várias moléculas de ATP
Características das rotas metabólicas:
- Irreversibilidade
- Direcionamento
- Economia dos intermediários
- Regulação
• Limitado pelo substrato (reação
em equilíbrio).
• Limitado pela enzima (reação
exergônica) – passo limitante da
via.
• Enzimas específicas (pelo menos
uma) para catalisar apenas
anabolismo ou catabolismo.
As 3 etapas da respiração celular
ATP
ADP +
H+
NADH + H+
ADP
NAD+
ATP
H2O
ATP
ADP + H+
NADH + H+
ADP
NAD+ + Pi
ATP