Bioenergética-1 A Bioenergética estuda o fluxo e as transformações energéticas associadas às reacções bioquímicas nos organismos vivos.

Bioenergética-2 Fluxo de matéria e energia A manutenção da vida de cada célula ou organismo é assegurada pela constante extracção, transferência e utilização de matéria e energia provenientes do meio exterior. Naquele contexto, a célula ou o organismo representam um sistema, enquanto o meio exterior e todos os sistemas constituem o universo

Bioenergética-3 universo sistema Universo - todo o espaço, energia e matéria existentes; Sistema - fracção do espaço em decorre determinado fenómeno físico ou químico. universo sistema

Bioenergética-4 Tipos de sistema (a) Isolado: não troca matéria nem energia com o meio exterior; (b) Fechado: troca energia mas não troca matéria com o exterior; (c) Aberto: troca matéria e energia com o exterior (ex: organismo vivo).

Bioenergética-5 Tipos de sistema aberto (organismos) (a)Fotossintéticos - utilizam a energia proveniente da luz solar; (b) Quimiotróficos - obtêm energia por oxidação de compostos orgânicos (organotróficos) ou inorgânicos (litotróficos).

Bioenergética-6 O organismo humano caracteriza-se como quimioorganoheterotrófico: obtém energia por oxidação(aeróbia ou anaeróbia) de diferentes tipos de nutrientes orgânicos ingeridos.

Bioenergética - 7 Estado de equilíbrio dinâmico O fluxo constante de matéria e energia intracelular preserva a composição e o estado de equilíbrio dinâmico do sistema, em contraste com as modificações constantes do meio extracelular.

Bioenergética-8 O fluxo energético intracelular decorre a par com a constante captação e conversão da matéria proveniente do meio extracelular.

Bioenergética-9 As transformações químicas intracelulares originam diversos tipos de actividade: (a)metabólica; (b)transporte, gradientes eléctricos e osmóticos; (c)trabalho mecânico; (d)transferência de informação genética; (e)luminescência (alguns organismos).

Biomoléculas nutrientes Trabalho celular Energia química Catabolismo Biomoléculas nutrientes Meio intracelular

Bioenergética - 10 As células vivas são transdutores energéticos A par das transformações químicas intracelulares, a energia potencial dos nutrientes pode ser convertida ( transdução energética) em diferentes tipos de energia, designadamente química, electromagnética, mecânica e luminosa.

Bioenergética-11 Os fenómenos de transdução energética obedecem às leis da termodinâmica

1ª lei da termodinâmica ( princípio da conservação da energia) A energia total no universo permanece constante quaisquer que sejam as transformações físicas ,químicas ou biológicas no sistema ; a energia não pode ser criada nem destruída mas pode mudar de forma e ou ser transferida durante aquelas transformações UNIVERSO Energia total constante SISTEMA Energia =, > ou <

2ª lei da termodinâmica A entropia do universo aumenta continuamente em todos os processos naturais. UNIVERSO > s S =,> ou < ΔG =, < ou > H =, < ou> SISTEMA

Bioenergética-12 Parâmetros termodinâmicos : (a) Entalpia (H)- conteúdo calórico do sistema (joule/mole ou calorias/mole); (b) Entropia (S)-estado de desordem (no sistema e universo) (joule/mole x graus Kelvin); (c) Energia livre ou energia Gibbs (G)- fracção da energia total de um sistema capaz de produzir trabalho em condições de temperatura e pressão constantes (joule/mole ou calorias/mole). .

Bioenergética-13 Exemplo: A+B P ΔH: negativa(perda de calor - reacção exotérmica) ou positiva(ganho de calor - reacção endotérmica); ΔS: aumenta no universo, enquanto diminui no sistema; ΔG: negativa (reacção exergónica) ou positiva( reacção endergónica).

Bioenergética-14 Em condições próprias dos sistemas biológicos (pressão e temperatura constantes), a reacção A+B P decorre com as seguinte variação energética : ΔG =ΔH –TΔS em que T= temperatura absoluta Kelvin(25o C=298oK); ΔG=0 quando o sistema atinge o equilíbrio; ΔH≈ΔE( variação da energia interna total da reacção).

Bioenergética-15 A B é uma reacção espontânea: ao tender para o equilíbrio há perda de conteúdo calórico dos reagentes para o meio (ΔH <0) e aumento de ΔS, pelo que ΔG <0 (exergónica); C D é uma reacção não espontânea, pelo que requer aporte energético para ocorrer: ΔH>0,ΔS<O, pelo que ΔG >0 (endergónica).

Bioenergética-16 O trabalho celular (sob temperatura e pressão constantes) depende exclusivamente da (variação da) energia livre das reacções químicas envolvidas: ΔG’0 : energia livre padrão (concentração: 1 M; pressão: 1 atmosfera; temperatura25oC; pH=7) ΔG : energia livre real (nas condições de funcionamento celular)

Bioenergética-17 v = -d [A]/d t = +d[B]/d t Na reacção A B, a velocidade de transformação da concentração de reagentes e produtos por unidade de tempo equivale a: v = -d [A]/d t = +d[B]/d t

Bioenergética-18 A velocidade de reacção não informa sobre a estoiquiometria de reagentes e produtos nem sobre o mecanismo do processo. A relação da velocidade inicial com a concentração original das substâncias transformadas é definida por um constante de proporcionalidade(k, constante de velocidade) específica de cada reacção: -d[A]/d t = v = k[A]

Bioenergética-19 constante de velocidade = k[A] A constante de velocidade (k, rate)expressa a velocidade de alteração ( em termos de concentração ou actividade) de reagentes em produtos por unidade de tempo. Na reacção uni-molecular A B, gramas ou moles de uma determinada substância (reagente, substrato) são transformados em produto na unidade de tempo, pelo que k é proporcional à concentração inicial de A: constante de velocidade = k[A]

Bioenergética-20 Num sistema, cada reacção processa-se até atingir o respectivo ponto de equilíbrio, em que foi concluída a inter-conversão de reagentes e produtos e em que a velocidade é igual em qualquer sentido*: * No pressuposto de que a reversibilidade é uma propriedade intrínseca de qualquer reacção química mA nB v1 V-1

Bioenergética-21 No ponto de equilíbrio da reacção A B, em que v1=v-1 , k1[A]m=k-1[B]n , ou k1/k-1= [B]n/[A]m = Keq Keq é uma constante utilizada em reacções físicas e químicas K’eq expressa valores de reacções bioquímicas

Bioenergética-22 A constante de equilíbrio padrão de uma reacção( Keq ou K’eq): (a) , define o ponto em que a concentração e a velocidade de conversão de reagente(s) e produto(s) são constantes; (b) estabelece a relação entre constantes de velocidade da reacção; (c) representa um estado de equilíbrio dinâmico; (d) pode ser calculada a partir da concentração de reagentes e produtos ou da relação entre as respectivas velocidades de conversão.

Bioenergética-23 A direcção e estado de equilíbrio das reacções químicas pode ser determinado pela variação da respectiva energia livre: Nas reacções espontâneas, ΔGt =ΔGp- ΔGs ΔGp<ΔGs ou ΔG’°< 0

Bioenergética-24 Nas reacções bioquímicas K’eq é uma expressão termodinâmica que indica o sentido de cada reacção específica; ΔG’o indica a tendência (força) para a que a reacção ocorra espontaneamente em condições padronizadas; A rapidez das transformações verificadas na reacção é explicitada pelo valor da respectiva constante cinética k. Nas células vivas o valor de k é potenciado pela enzima específica de cada reacção.

Bioenergética-25 A relação entre ΔG’° e a K’eq é definida pela equação ΔG’°= -RT ln K’eq Em que : R é a constante de gás (1,98 cal/mo/K ou 831 J/mol/K); T é a temperatura absoluta K;

Bioenergética-26 O valor de K’eq é tanto maior quanto maior for a quantidade de produto resultante até a reacção atingir o seu equilíbrio. Significa que a energia livre padrão é também elevada (reacção exergónica): Inversamente, a reacção é endergónica: K’eq >>1, ΔG’o < 0 K’eq <<1, ΔG’o > 0

Bioenergética-27 [B]m ΔG=ΔG’o +RT ln [A]n Em condições reais, o valor de energia livre é deduzido da seguinte equação: [B]m ΔG=ΔG’o +RT ln [A]n Em que : [A] e [B] são as concentrações dos solutos, respectivamente, inicial e final; Por ser exponencial a relação ΔG’° e K’eq, pequenas alterações da primeira constante originam grandes variações na segunda.

Bioenergética-28 ΔG’°= -RT lnK’eq , ou = -2,3RT logK’eq O valor de ΔG está relacionada com a K’eq e é independente da cinética e da via em que ocorre a reacção Quando a K’eq=1, a reacção atinge o equilíbrio(ΔG=0). Resolvendo a equação ΔG=ΔG’o +RT lnK’eq, será: ΔG’°= -RT lnK’eq , ou = -2,3RT logK’eq

Bioenergética-29 As variações de energia livre são aditivas O valor total da ΔG’° de determinada via metabólica é igual ao somatório das variações de energia livre da cada uma das suas etapas: A e1 B e2 C e3 D ΔG’ total =ΔG’°e1+ΔG’°e2 + ΔG’° e3 Desde que ΔG’° total seja < 0, a reacção processa-se de A para D

Bioenergética-30 Resumo das características bioenergéticas das reacções bioquímicas: Valor de K’eq ΔG’° Sentido da reacção Características energética K >1 K=1 K <1 < 0 =0 >0 Formação de produtos Em equilíbrio Regeneração de reagentes Exergónica Endergónica

Bioenergética-31 No meio celular a espontaneidade de uma reacção é definida pelo valor de ΔG (dependente da respectiva ΔG’° e da concentração de reagentes e produtos). O seu valor de ΔG’° pode ser negativo e, nas condições celulares, ser uma reacção endergónica. Se os produtos da reacção forem rapidamente eliminados ou transformados, o valor de ΔG tende a ser também < 0, facilitando a formação continuada dos produtos.

Bioenergética-36 As células vivas representam sistemas essencialmente isotérmicos, pelo que utilizam energia química para executarem trabalho celular e assegurarem a continuidade dos processos vitais.

Bioenergética-37 A energia química requerida para as actividades vitais da célula é obtida através de reacções de oxidação-redução, com associação de processos endergónicos a reacções exergónicas.