Bioenergética e Reacções Redox Celulares Trabalho realizado por: Cátia Bandeiras 58390 Andreia Borges 58505 Diogo Ferreira 58548.

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1 Bioenergética e Reacções Redox Celulares Trabalho realizado por: Cátia Bandeiras 58390 Andreia Borges 58505 Diogo Ferreira 58548

2 Compostos fosfato de alta energia Grupos fosforilo, pirofosforilo, adenilo; Relação ATP/ADP Transferência de grupos fosforilo entre nucleótidos Caracterização de estados de oxidação Reacções redox e potenciais de redução Acção de enzimas, eg. oxidases, desidrogenases e oxigenases Cálculo do potencial normal de redução e direcção das reacções redox Aplicação à glicólise Objectivos

3 Compostos Fosfato de Alta Energia Compostos cujo ΔG’º de hidrólise é muito negativo. A reacção tende a dar-se no sentido directo. Os produtos são mais estáveis do que os reagentes por uma ou mais das seguintes razões: (1) repulsões electrostáticas nos reagentes são atenuadas pela separação de carga nos produtos (ex. ATP); (2) os produtos são estabilizados por ionização (ex. ATP, acil fosfatos); (3) os produtos são estabilizados por isomerização (tautomerização) (ex. fosfoenolpiruvato); (4) os produtos são estabilizados por ressonância (ex. creatinina libertada da fosfocreatinina, ião carboxilato libertado dos acil fosfatos e fosfato (P i ) libertado de ligações anidrido ou éster).

4 ATP (Adenosina 5’-trifosfato) ‏  Molécula constituída por uma adenina ligada a uma ribose, por sua vez ligada a três grupos fosforilo, denominados α, β e γ.  Contém uma ligação fosfoéster entre o grupo α- fosforilo e a ribose.  Contém duas ligações fosfoanidrido: entre os grupos α,β e β,γ.

5 Hidrólise do ATP  Separação de carga que resulta da hidrólise atenua a repulsão electrostática entre cargas negativas.  P i é estabilizado pela formação de um híbrido de ressonância.  ADP 2- ioniza-se, libertando um protão para um meio com uma baixa [H + ]. Maior grau de solvatação (hidratação) dos produtos P i e ADP em comparação com o ATP, estabiliza os produtos em relação aos reagentes.

6 Energia Livre de Gibbs para a hidrólise do ATP:  Em condições padrão: ΔG’º = -30.5 kJ/mol  Em células vivas: ΔG’ varia entre -50 e -65 kJ/mol  Concentrações celulares de ATP, ADP e P i são muito inferiores a 1 M.  Na maior parte das reacções enzimáticas que envolvem ATP, o verdadeiro substrato é MgATP 2-. Normalmente designado ΔG p – Potencial de fosforilação

7 Hidrólise do fosfoenolpiruvato (PEP) ‏  A sua ligação fosfoéster é a mais energética encontrada em organismos.  Intevém na glicólise e na gliconeogénese.

8 Hidrólise do 1,3-bifosfoglicerato  Forma aniónica do ácido bifosfoglicérico.  Fosforilado nos carbonos 1 e 3.  Tem a capacidade de fosforilar o ADP, formando-se ATP.  Intermediário metabólico na glicólise, durante a respiração celular, e no ciclo de Calvin, durante a fotossíntese.

9 Hidrólise da fosfocreatina  Constitui uma importante reserva de energia no músculo esquelético.  Usada para anaeróbicamente gerar ATP a partir de ADP.

10  Comparação entre a energia livre padrão de vários compostos com fosfato

11  Transferência de grupos fosforilo, pirofosforilo e adenilo

12  Ataques nucleófilos ao ATP

13  Reacções de adenilação  Exemplo: Activação de ácidos gordos

14  Os nucleósidos trifosfato (NTP’s) e os desoxinucleósidos trifosfato (dNTP’s) são energeticamente equivalentes ao ATP.  Estes NTP’s e dNTP’s formam-se, sob a acção de enzimas específicas, através da desfosforilação de moléculas de ATP:  A relação elevada [ATP]/[ADP] desloca o equilíbrio para a direita, com a formação de NTPs e dNTPs.  Mecanismo de ping pong:  Transferência de grupos fosforilo entre nucleótidos

15  Durante períodos de intensa necessidade de ATP a célula baixa a concentração de ADP e ao mesmo tempo adquire ATP, pela acção da adenilatocinase:  Após a intensa necessidade de ATP terminar, a enzima pode reciclar AMP, convertendo-o em ADP, que pode depois ser fosforilado a ATP:  Estas vias alternativas permitem preservar o ATP proveniente da produção catabólica para a formação de NTP’s e dNTP’s.  Transferência de grupos fosforilo entre nucleótidos

16 Nucleósidos trifosfato na síntese de RNA Por cada nucleósido monofosfato adicionado à cadeia é libertado um PP i, depois hidrolisado em dois P i. A hidrólise de duas ligações anidrido por cada nucleótido fornece a energia para formar ligações no polímero em crescimento.

17 Reacções de oxidação-redução são aquelas que envolvem transferência de electrões entre espécies químicas: OXIDAÇÃO: Cedência de electrões a outra espécie química; REDUÇÃO: Recepção de electrões provenientes da espécie que se oxida. Exemplo: Semi-reacção de oxidação Semi-reacção de redução Reacção global Reacções de oxidação-redução (REDOX) ‏

18  AGENTE REDUTOR: Espécie que se oxida, o que é acompanhado pela redução de outro reagente.  AGENTE OXIDANTE: Espécie que se reduz, o que é acompanhado pela oxidação de outro reagente. Voltando ao exemplo anterior:  O Cálcio é o agente redutor, pois é a espécie que se oxida;  O Oxigénio é o agente oxidante, pois é a espécie que se reduz.

19  Número de cargas em cada elemento químico antes e após a troca de electrões. Quando o estado de oxidação aumenta, a espécie oxidou-se; Quando o estado de oxidação diminui, a espécie reduziu-se. Exemplo: Formação do ácido clorídrico: O Hidrogénio é a espécie oxidada, e a Cloro é a espécie reduzida.  Estado de oxidação

20 1. Combinação: Duas ou mais espécies combinam-se para formar um produto. 2. Decomposição: Um reagente decompõe-se para formar dois ou mais produtos.  Tipos de reacções redox

21 3. Deslocamento: Um átomo ou ião de uma dada molécula troca com um átomo ou ião de outra molécula. 4. Dismutação: Um mesmo elemento pode oxidar-se e reduzir-se na reacção. Tipos de reacções redox (cont.) ‏

22  Potencial de redução padrão (E'º) é uma medida que exprime a afinidade para receber electrões de uma dada espécie química, através da diferença de potencial gerada pelo fluxo de electrões entre o eléctrodo daquela espécie e o eléctrodo-padrão de H 2, para o qual E'º(2H + /H 2 ) = 0 V. As condições em que são efectuadas estas medições são a concentração de 1 mol/L em solução das espécies oxidada e reduzida e o gás de H 2 à pressão de 1 atm.  Par redox conjugado: representa (forma oxidada/forma reduzida), permite exprimir o potencial de redução padrão de uma espécie.  Potenciais de redução

23  Potencial de redução real (E): expressa a tendência para a redução de um dado par redox conjugado para concentrações diferentes da padrão. O potencial de redução real pode ser obtido a partir do padrão a partir da equação de Nernst: n  nº de electrões transferidos por molécula; F  constante de Faraday. Expressão reduzida da equação de Nernst a 298 K.

24 Como a variação de energia livre numa reacção redox é proporcional ao número de electrões trocados por reacção, podemos calcular a variação da energia livre de Gibbs (padrão e real) a partir dos respectivos potenciais de redução:

25 As enzimas que catalisam reacções redox nos organismos são as oxirredutases. As reacções catalisadas por estas enzimas são representadas de forma geral pelo esquema seguinte. Principais tipos de oxirredutases:  Oxidases;  Desidrogenases;  Oxigenases.  Oxirredutases

26 Oxidases: enzimas que catalisam a transferência de electrões através de átomos de hidrogénio, que são aceites pelo oxigénio, com formação de água ou peróxido de hidrogénio. Tipos de oxidases:  Cúpricas: contêm cobre na sua composição. Ex: citocromo aa3, contém dois grupos heme, cada um com um átomo de Fe, e também dois átomos de Cu.  Flavoproteínas: contêm um grupo prostético de FMN ou FAD. Ex: L-aminoácidoxidase e xantina oxidase.

27  Oxirredutases: Co-enzimas de nucleótidos de flavina (FMN e FAD):  FMN: flavina mononucleótido; FAD: flavina adenina dinucleótido.  são grupos prostéticos, porque estão fortemente ligados à enzima, por ligações covalentes ou não covalentes.  aceitam um ou dois electrões na sua redução. A zona que se reduz é o anel de isoaloxazina (ver figura abaixo).  são carreadores de electrões, de forma a armazená-los temporariamente à medida que a enzima catalisa reacções redox.

28  Complexo citocromo oxidase (citocromos aa3): O complexo citocromo oxidase é composto pelos citocromos a e a3, que são aceitadores finais de electrões na cadeia respiratória, transferindo-os para o oxigénio, de modo a reduzi-lo a água.

29 Desidrogenases: Enzimas que catalisam a remoção de electrões transportados pelos hidrogénios dos susbtratos, sem a intervenção do oxigénio como espécie reduzida.

30 Tipos de desidrogenases:  Com co-enzimas de nicotinamida: estas desidrogenases possuem um grupo prostético de NAD + ou NADP +. * com NAD+ temos enzimas que catalisam vias catabólicas oxidativas, como a glicólise e o ciclo de Krebs. Exs: lactato desidrogenase, álcool desidrogenase, gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase. * com NADP + na forma reduzida temos enzimas que catalisam vias anabólicas redutivas, como a fase citoplasmática da síntese de ácidos gordos e a via das fosfopentoses. Exs: glicose-6-fosfato desidrogenase.  Flavoproteínas: grupo prostético FMN ou FAD. Exs: acil-CoA desidrogenase e sucinato desidrogenase. Outro exemplo muito importante é o complexo piruvato desidrogenase.

31 Co-enzimas de nicotinamida (NAD + e NADP + ):  NAD + : nicotinamida adenina dinucleótido e NADP + : nicotinamida adenina dinucleótido fosfato;  aceitam dois electrões na forma de um ião hidrido, sendo o outro hidrogénio removido do substrato libertado no solvente aquoso (ver slide seguinte);  são carreadores de electrões que se movimentam facilmente de umas enzimas para as outras.  Oxirredutases:

32  NADH/NAD + Anel de Nicotinamida Nucleótido Ponte fosfoanídrica

33  Ambas as co-enzimas (NADH, NADPH) sofrem redução ou oxidação no anel de nicotinamida:  As formas reduzidas absorvem luz nos 340nm, mas não as formas oxidadas:

34  Especificidade do anel de nicotinamida: Temos dois locais de ligação possíveis do hidrogénio à co-enzima: do lado A ou do lado B do anel. Geralmente as enzimas são altamente específicas para apenas um lado do anel. Ex: A lactato desidrogenase executa ligação de hidrogénios ao lado A do anel de nicotinamida com uma predominância de 5 X 10^7 vezes sobre o lado B!

35  Complexo Piruvato Desidrogenase: O complexo Piruvato Desidrogenase catalisa a descarboxilação oxidativa do piruvato em acetil-CoA, com libertação de CO 2, no último passo da glicólise aeróbia.

36  Lactato desidrogenase: Em condições anaeróbias, no processo de fermentação láctica, a lactato desidrogenase catalisa a redução do piruvato a lactato, oxidando-se o NADH. No fígado, para se dar a gliconeogénese, a lactato desidrogenase catalisa a oxidação do lactato em piruvato, reduzindo o NAD +.

37  Álcool desidrogenase: No processo de fermentação alcoólica, a álcool desidrogenase catalisa a redução do acetaldeído a etanol, oxidando-se o grupo NADH. No fígado, para se dar o catabolismo do etanol, a álcool desidrogenase catalisa a oxidação do etanol a acetaldeído, reduzindo-se o grupo NAD +.

38  Sucinato desidrogenase: Esta enzima catalisa uma das fases do ciclo de Krebs, a oxidação do sucinato a fumarato. É uma flavoproteína. Na verdade, esta enzima está ligada à membrana interna da mitocôndria, e transfere directamente os electrões transferidos para o FAD, formando FADH2, são directamente transferidos para a ubiquinona na cadeia respiratória.

39 Oxigenases: enzimas que catalisam a incorporação de oxigénio no substrato, oxidando-o, sendo o oxigénio reduzido. Estas reacções resultam na formação de novos grupos carboxilo ou hidroxilo. Tipos de oxigenases:  Dioxigenases: incorporam directamente os dois átomos de oxigénio no substrato, catalisando a reacção da forma geral: Ex: triptofano-2,3-dioxigenase.  Monoxigenases: incorporam um dos átomos de oxigénio no substrato, sendo o outro reduzido a água. Para tal, tem que haver um segundo substrato (representado por Z) que seja dador de electrões. A sua forma geral é: Ex: citocromos P-450.

40  Triptofano-2,3-dioxigenase: Esta enzima catalisa a introdução de 2 átomos de oxigénio no triptofano, o que é essencial para iniciar o catabolismo deste aminoácido.

41 Citocromos P-450: São proteínas com grupo prostético heme que se encontram distribuídas em larga escala no organismo humano. Há cerca de 1000 tipos de citocromos P-450.  no fígado, estas enzimas são muito importantes na degredação de substâncias tóxicas;  no córtex supra-renal e outros tecidosesteriodogénicos, participam na síntese de hormonas esteróides a partir do colesterol;  nos rins, participam na activação da vitamina D. Esquema geral da actuação dos citocromos P-450.

42  fem (força electromotriz de uma pilha) - corresponde à ddp formada quando se ligam dois eléctrodos com potenciais redox diferentes:  A fem pode ser alterada por variações na temperatura do meio ou nas concentrações das espécies da pilha. Equação de Nernst

43 Termodinamicamente, a energia livre é proporcional a ΔE (que corresponde à ddp ou fem entre os eléctrodos): Equação de Nernst: Equação de Nernst:

44 A 25ºC, usando o factor 1/log(e) e F=96485C/mol: Como, no equilíbrio: Q  Keq, logo ΔE  0 Consequentemente, das duas fórmulas anteriores:

45 Efectivamente, o que determina a direcção das reacções redox é o quociente K eq /Q: Se K eq /Q > 1, a reacção é espontânea; Se K eq /Q < 1, a reacção não é espontânea no sentido directo; Se K eq /Q = 1, a reacção está em equilíbrio. Observe-se que e, portanto, log K eq é proporcional a: fem em condições padrão; número de electrões trocados na redox

46 εº (piruvato/lactato)=-0.185V; εº (NAD + /NADH)=-0.315V; ΔE’º =-0.185-(-0.315)=+0.130V K eq > Q (  ΔE’º>0)  sentido directo (ex. trabalho muscular em regime anaeróbio); K eq < Q (  ΔE’º<0)  sentido inverso (ex. fígado, depois do esforço  início da gliconeogénese).

47 Observe-se que, da mesma forma que se obteve ΔE a 25ºC, também podemos obter uma fórmula para a temperatura corporal (37ºC), à qual se realiza a maioria das reacções bioquímicas: que não difere muito da equação anterior, pelo que vamos usar a equação obtida para 25ºC.

48 Em bioquímica, pH=7 (condições fisiológicas): Nas condições padrão, Portanto, em condições fisiológicas:

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50 Ex. Portanto, a reacção tende a dar-se no sentido directo, a pH=7 e se as concentrações de todas as espécies forem 1.0M (pelo menos, é favorável termodinamicamente).

51  Se as concentrações forem diferentes de 1.0M, usamos a equação de Nernst: A reacção continua a dar-se no sentido directo (o que seria de esperar pela Lei de Le Chartelier, visto que diminuímos as concentrações dos produtos).

52 Glicólise (Breve introdução) ‏ Dá-se no citosol celular. Corresponde à oxidação da glicose por etapas sucessivas, na presença de oxigénio. Ao todo são transferidos 24 electrões para o oxigénio.

53 (cátodo) ‏ (ânodo) ‏ Termodinamicamente, esta reacção é muito favorável MAS NÃO O É PELAS LEIS DA CINÉTICA QUÍMICA! Não existindo nenhum catalisador que ligue a glicose directamente ao oxigénio, esta reacção não pode ocorrer!

54 O processo não é simples, sendo feito por etapas sucessivas. Genericamente, a glicose cede electrões, formando intermediários oxidados. O NAD + e o FAD funcionam como co-enzimas, reduzindo-se e transportando os os electrões.

55 A glicólise é a sequência metabólica de várias reações enzimáticas, na qual a glicose é oxidada produzindo duas moléculas de Ácido Pirúvico, duas moléculas de ATP e dois equivalentes reduzidos de NAD +, que serão introduzidos na cadeia respiratória ou na fermentação.

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58 Os electrões das reacções de oxidação da glicose são transportados pelo NADH e FADH 2 ; a disponibilidade do NAD + e do FAD depende da sua reoxidação pelo O 2, em caso de aerobiose: Um mole de glicose oxidada produz 10 mole de NADH e 2 mole de FADH 2  libertação de 10(220)+2(180)=2560kJ de energia. A combustão de um mole de glicose liberta 2870kJ de energia (calor)  90% da energia disponibilizada pela reoxidação do NADH e do FADH 2.

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60 ADP + Pi  ATPΔG=31kJ/mol A reoxidação de 1mole de NADH levaria a 220/31=7mole de ATP; A reoxidação de 1mole de FADH2 levaria a 180/31=6mole de ATP; Total esperado: 7+6=13mole de ATP Total efectivamente obtido: 3+2=5mole de ATP (a restante energia é libertada como calor) ‏