Bioenergética e reacçSes redox celulares/Resumo_pdf

Bioenergética e Reacções Redox Celulares
Compostos fosfato de alta energia (ATP, 1,3-bisfosfoglicerato, fosfoenolpiruvato e fosfocreatina):
Os compostos fosfato encontrados nos organismos podem ser divididos em dois grupos, com base na sua energia de Gibbs.
Compostos de alta energia têm um ∆G’º de hidrólise mais negativo do que -25 kJ/mol, enquanto que compostos de baixa energia
têm um ∆G’º menos negativo. Segundo este critério, o ATP, com um ∆G’º de hidrólise de -30.5 kJ/mol é um composto de alta
energia. Já a glicose 6-fosfato, com ∆G’º = -13.8 kJ/mol é um composto de baixa energia.
A molécula de ATP (adenosina 5´-trifosfato) é constituída por uma base azotada – adenina – ligada a uma ribose e por três grupos
fosforilo, denominados α, β e γ. O ATP pode doar um dos seus grupos fosforilo, deixando ADP e fosfato inorgânico (Pi - HPO42-)
ou dois dos seus grupos fosforilo, deixando AMP e pirofosfato inorgânico (PPi – HP2O73-). Ambas as reacções requerem a quebra
de uma ligação fosfoanidrido.
A hidrólise do terminal fosfoanidrido do ATP separa um dos três fosfatos carregados negativamente e assim atenua alguma da
repulsão electrostática no ATP. O fosfato inorgânico (Pi) libertado é estabilizado pela formação de várias formas de ressonância
que não são possíveis no ATP. O ADP2-, o outro produto directo da hidrólise, ioniza-se imediatamente, libertando H+ para um
meio de baixa [H+] (~10-7 M). Porque as concentrações dos produtos directos da hidrólise do ATP são, na célula, muito mais
baixas que as concentrações de equilíbrio, a lei de acção de massas favorece a reacção de hidrólise na célula.
Por causa das muito elevadas energias de activação (200 a 400 kJ/mol) necessárias para a quebra não catalisada das suas ligações
fosfoanidrido, o ATP não doa espontaneamente grupos fosforilo à água ou a outros aceitadores disponíveis na célula, mas apenas
quando enzimas específicas estão presentes de forma a baixar a energia de activação.
O fosfoenolpiruvato contém uma ligação fosfoéster que sofre hidrólise, libertando-se a forma enol do piruvato. Este produto
directo pode imediatamente tautomerizar para a forma mais estável do piruvato, a forma ceto. Porque o reagente tem apenas uma
forma (enol) e o piruvato tem duas formas possíveis, o produto é estabilizado relativamente ao reagente. Este é o grande factor que
contribui para a elevada energia livre padrão da hidrólise do fosfoenolpiruvato: ∆G’º = -61.9 kJ/mol.
A hidrólise do 1,3-bisfosfoglicerato é também acompanhada por uma energia livre padrão muito negativa (∆G’º = -49.3 kJ/mol).
Quando é adicionada água, um dos produtos directos, o ácido 3-fosfoglicérico, pode imediatamente perder um protão, originando
3-fosfoglicerato, que tem duas formas de ressonância igualmente prováveis. A remoção do produto directo (ácido 3-fosfoglicérico)
e a formação do ião de ressonância estável favorecem a reacção directa.
Na fosfocreatina, a ligação P-N pode ser hidrolizada para gerar creatina livre e Pi. A libertação de Pi e a estabilização de
ressonância da creatina favorecem a reacção directa. A energia livre padrão da hidrólise da fosfocreatina é também elevada: ∆G’º
= -43.0 kJ/mol.
Os compostos fosfato têm alto ou baixo potencial de fosforilação (∆Gp) consoante a sua energia livre de hidrólise é alta ou baixa,
respectivamente. O potencial de fosforilação do fosfoenolpiruvato é bastante elevado, o do ATP é elevado e o da glicose 6-fosfato
é baixo. Graças à sua posição intermédia na escala de potenciais de transferência de grupos fosforilo, o ATP pode transportar
energia de compostos de alta energia produzidos por catabolismo para compostos como a glicose, convertendo-os em espécies
mais reactivas. Assim, o ATP serve como “moeda de troca” em todas as células.
Cada um dos três fosfatos do ATP está susceptível a um ataque nucleofílico (em que o nucleófilo pode ser o oxigénio de um álcool
ou o azoto da creatina, por exemplo), sendo que cada posição de ataque dá origem a um diferente tipo de produto.
Um ataque nucleofílico por parte de um álcool ao fosfato γ origina ADP e produz um novo fosfoéster. O grupo transferido do ATP
é um fosforilo (-PO32). A transferência de grupos fosforilo do ATP para o glutamato ou para a glicose envolve o ataque à posição γ
da molécula de ATP.
Ataque ao fosfato β do ATP origina AMP e transfere um grupo pirofosforilo para o nucleófilo atacante. Por exemplo, a formação
de 5-fosforibosilo-1-pirofosfato, um intermediário chave na síntese de nucleótidos, resulta de um ataque de um –OH da ribose a
um fosfato β.
Um ataque nucleofílico à posição α origina PPi e transfere adenilato (5-AMP) como um grupo adenilo. Esta é uma reacção de
adenilação. Para além disso, o PPi formado como produto da adenilação é ainda hidrolizado em dois Pi pela enzima pirofosfatase
inorgânica. Com efeito, ambas as ligações fosfoanidrido do ATP são separadas na reacção total. Reacções de adenilação são,
assim, termodinamicamente muito favoráveis. A activação de ácidos gordos e a activação de aminoácidos antes da sua
polimerização em proteínas são exemplos deste mecanismo.
Durante períodos de intensa necessidade de ATP a célula baixa a concentração de ADP e ao mesmo tempo adquire ATP, pela
acção da adenilatocinase (ou miocinase):
Esta reacção é totalmente reversível logo, após a intensa necessidade de ATP terminar, a enzima pode reciclar AMP, convertendoo em ADP, que pode depois ser fosforilado a ATP nas mitocôndrias.
A fosfocreatina serve como fonte de grupos fosforilo para a rápida síntese de ATP a partir de ADP. A enzima creatina cinase
catalisa a reacção reversível:
Quando uma súbita necessidade de energia consome ATP, a reserva de PCr é usada para fornecer ATP a uma taxa
consideravelmente mais rápida do que o ATP pode ser sintetizado por vias catabólicas. Quando a necessidade de energia diminui,
o ATP proveniente do catabolismo é usado para reabastecer as reservas de PCr pela reacção inversa da creatina cinase.
Todos os nucleósidos trifosfato (GTP, UTP e CTP) e desoxinucleósidos trifosfato (dATP, dGTP, dTTP e dCTP) são
energeticamente equivalentes ao ATP. Como preparação para os seus papéis biológicos, são gerados e mantidos sob a forma de
nucleósido trifosfato (NTP) pela transferência de grupos fosforilo para os correspondentes nucleósidos difosfato (NDPs) e
monofosfato (NMPs):
Apesar de esta reacção ser totalmente reversível, a relativamente alta razão [ATP]/[ADP] nas células leva a reacção a tender para a
direita, com a formação de NTPs e dNTPs. Na realidade esta é uma transferência em dois passos, o que é um caso clássico de um
mecanismo de ping-pong:
Os precursores para a síntese do DNA e RNA são nucleósidos trifosfato e a polimerização é acompanhada pela quebra da ligação
fosfoanidrido entre os fosfatos α e β, com a libertação de PPi. São transferidos para o polímero em crescimento nestas reacções
AMP, GMP, CMP ou UMP para a síntese do RNA, e os seus análogos desoxi (com TMP em vez de UMP) para a síntese de DNA.
Reacções redox e estados de oxidação:
Uma reacção de oxidação-redução (reacção redox) é uma reacção que envolve transferência de electrões entre elementos.
Nestas reacções, há espécies que cedem electrões, oxidando-se, e outras que recebem esses electrões, reduzindo-se. O elemento
que se oxida funciona como agente redutor, e o elemento que se reduz funciona como agente oxidante. Outro conceito associado a
estas reacções é o de equivalente redutor, que é o electrão ou a espécie equivalente através da qual um electrão é transferido
(átomos de hidrogénio ou iões hidrido) do agente redutor para o agente oxidante.
Quando se fala em reacções redox, é muito importante falar em estado de oxidação (ou número de oxidação). Este estado
indica o número de cargas que teria cada elemento (átomos, moléculas ou iões) após a transferência de electrões. O aumento deste
estado indica oxidação do elemento, e o contrário a sua redução. Exº: formação do ácido clorídrico, fundamental para a digestão de
proteínas em meio ácido:
Podemos dividir as reacções redox em quatro tipos:
-Combinação: duas ou mais espécies químicas combinam-se entre si para formar uma nova espécie;
-Decomposição: uma espécie química divide-se em duas ou mais novas espécies químicas;
-Deslocamento: um ião ou átomo de uma espécie química é substituído por um ião ou átomo de outra espécie química
reagente.
-Dismutação: um elemento químico, ao reagir, aparece nos produtos simultaneamente oxidado e reduzido.(Exº: dismutação do
oxigénio na degradação do peróxido de hidrogénio, tóxico para o organismo, sendo uma reacção catalisada pela enzima catalase).
Nas reacções redox, a variação da energia livre de Gibbs é proporcional ao número de electrões trocados na reacção. Assim,
nestas reacções, em vez de representarmos a tendência para se dar uma reacção pela variação da energia livre de Gibbs padrão,
falamos em potencial padrão de redução (Eº), que representa a diferença de potencial gerada pelo fluxo de electrões para a redução
de um dado par redox conjugado, comparativamente ao padrão de hidrogénio (Eº(2H+,H2)=0V, a pH=0). As condições-padrão são
concentração de 1 M das soluções e pressões de 1 atm.Para determinarmos potenciais de redução a concentrações diferentes da
padrão, usamos o potencial de redução real (E), que obtemos a partir do padrão através da equação de Nernst, referida com mais
detalhe mais à frente.
As enzimas que catalisam reacções de oxidação-redução designam-se oxirreductases. Existem diversos tipos, e neste trabalho
serão abordadas as oxidases, as desidrogenases e as oxigenases.
-Oxidases: catalisam a oxidação do substrato, com perda de hidrogénios, para ocorrer redução do oxigénio molecular em água
ou peróxido de hidrogénio. Temos oxidases com cobre, como o complexo citocromo oxidase (citocromos aa3), que são os
aceitadores finais de electrões da cadeia respiratória para a redução do oxigénio. Há também oxidases que são flavoproteínas, que
têm um grupo prostético FMN ou FAD, que são derivados da riboflavina e funcionam como carreadores de um ou dois electrões.
Um exemplo é a xantina oxidase, que catalisa a degradação das bases azotadas dos ácidos nucleicos em ácido úrico.
-Desidrogenases: catalisam a oxidação do substrato, com perda de hidrogénios sem envolvimento do oxigénio. Temos
desigrogenases com co-enzimas de nicotinamida (NAD+ ou NADP+) ou flavoproteínas. As co-enzimas de nicotinamida são
derivadas da niacina, e não são grupos prostéticos porque movimentam-se de umas enzimas para outras. Aceitam dois electrões na
forma de um ião H-, e é extraido um H+ ao substrato que se dissolve no meio. Algumas enzimas importantes com NAD+ são a
lactato desidrogenase e a álcool desidrogenase, fundamentais em processos de fermentação e metabolismo, e uma enzima
fundamental com NADP+ é a glicose-6-fosfato desidrogenase. Uma desidrogenase do tipo das flavoproteínas muito importante é
a sucinato desidrogenase, participante no ciclo de Krebs e na cadeia respiratória. Outro exemplo de extremo valor biológico é o
complexo piruvato desidrogenase, composto por 3 enzimas, que catalisa a descarboxilação oxidativa do piruvato a acetil-CoA
após a glicólise em meio aeróbio.
-Oxigenases: são enzimas que catalisam a introdução do oxigénio molecular no susbtrato, oxidando este último. Temos dois
tipos: as dioxigenases, que permitem que se acrescente os dois átomos ao substrato. Um exemplo é a triptofano-2,3-dioxigenase,
que inicia o catabolismo do triptofano. Quanto às monoxigenases, estas adicionam apenas um dos átomos ao susbtrato. Para tal, é
necessário um co-substrato dador de hidrogénios e electrões para que o outro oxigénio seja reduzido a água. As principais
monoxigenases são os citocromos P-450, que têm muitas funções, como a depuração do organismo no fígado, a activação da
vitamina D e a síntese de hormonas esteróides.
Cálculo do potencial normal de redução e direcção das reacções redox; aplicações à glicólise
A força electromotriz de uma pilha formada por dois eléctrodos pode ser representada por fem ou por ∆E0 e não é mais do que a
diferença de potenciais normais de redução do cátodo (espécie que se reduz na reacção directa) e do ânodo (espécie que se oxida na
mesma). Assim,
. Repare-se que estes potenciais normais são determinados em condições padrão
(concentrações das espécies de 1M, pH=0, 1atm e 298K). Por isso, variações nas condições de temperatura, pH, pressão ou
concentrações fazem variar a fem. Em termos termodinâmicos, temos ∆G= –n F ∆E, e em condições padrão ∆G0= –n F ∆E0, onde n
representa a quantidade química de electrões e F é a constante de Faraday (F~96500C/mol). Dado que
e
. Se fizermos a substituição de T=298K
substituindo as relações anteriores, surge a equação de Nernst:
e usando o factor 1/log(e), passamos a ter (para 250C) a expressão:
condições padrão virá
. Obviamente que, para as
, o que, no limite Q → Keq, obtemos ∆E →0, o que indica que a pilha se está a
“esgotar” e a reacção tende para o equilíbrio. Usando a propiedade dos logaritmos
relação bastante importante:
, verificamos a seguinte
É devido a esta relação que podemos determinar o sentido de uma dada reacção
redox. Efectivamente, o que determina essa direcção não é mais do que o quociente
Keq/Q. Assim, se esse quociente for maior que 1 (e por consequência, Keq>Q) a
reacção é espontânea. À mesma conclusão quanto ao estado de equilíbrio chegamos
agora, já que isso ocorre para Keq=Q. Observe-se que se o quociente for inferior a 1,
a reacção não se dará no sentido directo. Aliás, em rigor, no caso
de não ser necessário um catalisador para a reacção, o que lhe
determina o sentido é o valor de ∆G, que quanto mais negativo
for, maior a tendência para se dar a reacção em sentido directo.
Na verdade, ∆G= –n F ∆E, o que quer dizer que quanto maior
for a ∆E, mais negativo fica ∆G, e caímos, assim, nas condições
atrás enunciadas (sobre o sentido da reacção). Vejamos o caso
da reacção redox de redução do piruvato a lactato na presença de
NADH que se reduz a NAD+ (representada ao lado). Tendo em
conta os dados da tabela 1, podemos inferir que esta reacção se dá no sentido directo porque ε0(piruvato/lactato)=-0.185V > ε0
(NAD+/ NADH)=-0.315V, do que resulta ∆E=-0.185-(-0.315)=+0.130V. Este caso particular, refere-se à fermentação láctica que se
dá nos músculos (na falta de O2), sendo portanto, Keq>Q. No fim do esforço muscular, a reacção dá-se no sentido inverso dado que
Keq<Q (isto é, existe excesso de lactato face a piruvato). Observe-se que, nas mesmas condições que obtivemos a equação de Nernst
para 298K, também o poderíamos ter feito para 312K (370C), à qual se realiza a maioria das reacções corporais, mas a fórmula é
bastante idêntica à obtida anteriormente, pelo que usaremos a primeira (por comodidade). Podemos igualmente calcular o potencial
normal de redução do hidrogénio para pH=7 (e 250C) [observe-se que a equação de Nernst obtida inicialmente considera apenas
pH=0]. Nestas condições últimas, [H+]=10-7M e teremos uma reacção do tipo
, sendo n=2,
E0(H+|H2)=0.000V e Q=1/([H+]2)=1/((10-7)2)=1014. Substituindo na equação de Nernst:
normal de redução
bioquímicas:
do
, o que representa o valor do pontencial
Hidrogénio para condições
. Note que, em condições
normais (pH=0),
, para o eléctrodo de Hidrogénio a 0.00V, isto é, o H+ reduz-se a H2 e o FADH2 oxida-
se a FAD; em condições bioquímicas, já o
, pelo que se passa o inverso. Em geral, nas condições das
reacções bioquímicas, o H2 oxida-se na presença de outra espécie. Vejamos, agora, como calcular a energia livre padrão de uma
reacção redox. Em primeiro lugar, vejamos o caso em que todas as espécies estão a 1M (as outras condições consideram-se
invariantes), na reacção
. Vejamos: reacção do cátodo:
(E
’0=-0.197V)
e
reacção
do
ânodo:
(E’0=-0.320V).
. Portanto, a reacção tende a dar-se
no sentido directo (pelo menos termodinamicamente), a pH=7 e se as concentrações forem todas de 1.0M. Passemos ao caso em
que as concentrações não são 1.0M. Por exemplo, para a mesma reacção sejam: [NADH]=[acetaldeído]=1.0M e
[NAD+]=[etanol]=0.1M.
Calculemos
o
quociente
da
reacção
. A reacção tende a dar-se no sentido directo, o que seria de esperar pelo princípio de Le Chartelier (dado que diminuímos as
concentrações dos produtos). Apliquemos, então, os conhecimentos adquiridos até agora ao conjunto de reacções a que damos o
nome de Glicólise: sequência metabólica de várias reações enzimáticas, na qual a glicose é oxidada produzindo duas moléculas de
Piruvato, duas moléculas de ATP e dois equivalentes reduzidos de NAD+, que serão introduzidos na cadeia respiratória ou na
fermentação. A Glicólise dá-se no citosol celular e corresponde, nada mais, nada menos, do que à oxidação da glicose (por etapas
sucessivas) na presença de oxigénio, sendo ao todo transferidos 24 electrões. Poderíamos pensar que as reacções se resumem a
e
, sendo, portanto, a sua reacção global:
. A primeira reacção é a que se dá no cátodo
e a segunda a do ânodo
(
, resultando
e, por consequência,
10^(1.66 · 24/0.0592)
~10675 >>0. Termodinamicamente, provámos que esta reacção é extremamente favorável. No entanto, como qualquer reacção existe
uma energia de activação para que se inicie, necessitando ou de uma fonte de energia (eg. combustão da glicose) ou de um
catalisador. Não existindo nenhum catalisador que ligue a glicose ao oxigénio (o que, de facto, é verdade), a reacção não acontece
(podemos deixar glicose ao ar a uma dada temperatura que ela simplesmente não se oxida). Portanto, o processo não pode ser
simples, envolvendo uma série de reacções, em que, genericamente, a glicose cede electrões, formando-se intermediários oxidados.
Em particular, a reacção de oxidação do Gliceraldeído-3-Fosfato (no grupo aldeído que se oxida a carboxilo) a 1,3Bisfosfoglicerato, acompanhado da redução de NAD+ a NADH e uma fosforilação, tal como se representa na reacção ao lado. Os
aldeídos têm potenciais redox bastante baixos (-0.5 a -0.6 V); a reacção de oxidação do gliceraldeído-3-fosfato pelo NAD+
) é espontânea (como já se explicou atrás), considerando que estamos perante condições padrão, mas a pH=7. Dado
(
que esta reacção é tão exergónica, o 1,3-Bisfosfoglicerato perde um grupo fosforilo e passa a 3-fosfoglicerato, produzindo-se um
ATP (a partir de ADP+Pi). A propósito da produção de ATP em processos de oxidação da glicose, de ácidos gordos ou de
aminoácidos: os electrões das reacções de oxidação da glicose são transportados
pelo NADH e FADH2; a disponibilidade do NAD+ e do FAD depende da sua
reoxidação pelo O2, em caso de aerobiose.
Um mole de glicose oxidada produz 10 mole de NADH e 2 mole de
FADH2, libertando-se 10(220)+2(180)=2560kJ de energia. A combustão de um
mole de glicose liberta 2870kJ de energia (calor), que corresponde a 90% da
energia disponibilizada pela re-oxidação do NADH e do FADH2. A re-oxidação
de 1mole de NADH levaria a 220/31=7mole de ATP, enquanto que a do
FADH2 levaria a 180/31=6mole de ATP (total esperado: 13mole, o que não
corresponde à realidade). Sendo a reacção de formação de ATP por fosforilação do ADP endergónica com ∆G=31kJ/mol, então
. Quer este resultado dizer que se a ddp a ultrapassar
termos
pelos electrões for inferior a 0.160V (numa dada reacção), é possível a formação de ATP. Em particular, no caso da Glicólise, como
se processa por etapas, é possível a formação de 4ATP (fora os 2 que são gastos durante todo o processo). Assim, se os electrões
fossem transferidos directamente da glicose para o oxigénio, só se formaria um ATP. O processo de combustão da glicose e as
energias livres (proporcionais à ddp mencionada atrás) pode ser visualizado na imagem acima. Note-se que na cadeia respiratória,
partindo de NADH existem 3 etapas cujo ∆E’0 é superior a 0.160V e partindo de FADH2 são duas. Assim, justifica-se a formação
de apenas 5ATP, sendo a energia restante libertada como calor.